EP0261376A2

EP0261376A2 - Vorrichtung zum Beschleunigen von magnetisch beeinflussbarem Strahlmittel

Info

Publication number: EP0261376A2
Application number: EP87111743A
Authority: EP
Inventors: Gerd Prof. Dr.-Ing. Stange
Original assignee: Alfred Gutmann Gesellschaft fur Maschinenbau Mbh
Current assignee: ALFRED GUTMANN GESELLSCHAFT FUER MASCHINENBAU MBH
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1987-08-13
Publication date: 1988-03-30
Anticipated expiration: 2007-08-13
Also published as: DE3629255C1; EP0261376B1; DE3763157D1; EP0261376A3

Abstract

Die Vorrichtung zum Beschleunigen eines aus magnetisch beeinflußbaren, insbesondere Eisenpartikel bestehenden Strahlmittels zum Behandeln von Werkstückoberflächen, weist eine längs des Weges des Strahlmittels angeordnete elektromagnetische Beschleunigerspule auf, die als Flußkonzentrator 6 ausgebildet ist. Durch den Einsatz eines Flußkonzentrators ist es möglich, im Vergleich zu konventionellen Beschleunigerspulen erheblich höhere Induktionswerte zu erzielen. Bereits durch eine einstufige Anordnung können daher Geschwindigkeiten des Strahlmittels von 50 bis 60 m/s erreicht werden. Die zeitliche Steuerung wird dadurch erheblich einfacher, da bei Verwendung einer Dosierspule 7 die Er- bzw. Entregung und damit die zeitliche Steuerung der Dosierspule 7 und des Flußkonzentrators 6 sehr einfach ist. Die geschwindigkeitsabhängige - und damit besonders komplexe - Steuerung weiterer Beschleunigerstufen ist nicht erforderlich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschleunigen eines aus magnetisch beeinflussbaren, insbesondere Eisenpartikeln, bestehenden Strahlmittels zum Behandeln von Werkstückoberflächen mit einer oder mehreren längs des Weges des Strahlmittels angeordneten elektromagnetischen Beschleunigerspule(n), die in Abhängigkeit von dem sich bewegenden Strahlmittel er-oder entregt werden.
Herkömmliche Vorrichtungen arbeiten mit mechanischen Schleuderrädern oder mit Hilfe von Preßluft, um das Strahlmittel zu beschleunigen. Es ist auch schon versucht worden, diese Beschleunigungsverfahren durch den Einsatz von Beschleunigerspulen zu ersetzen, die die Beschleunigung mit Hilfe von Magnetkräften durchführen. In Verbindung mit den hintereinander geschalteten Beschleunigerspulen ist es vorgeschlagen worden, zur Steuerung der Erregung der Beschleunigerspulen Photozellen einzusetzen, die in Abhängigkeit vom Durchschreiten des in dem Spulenfeld sich bewegenden Strahlmittels, die hintereinandergeschalteten Beschleunigerspulen steuern (CH-A-240 861).
Wenn beispielsweise Preßluft als Treibmittel eingesetzt wird, so entsteht eine leicht zu handhabende Vorrichtung, die aber einen großen Energieaufwand erfordert, um die erforderliche Beschleunigung des Strahlmittels durchzuführen.
Andere bekannte Linearbeschleuniger (DE-A-33 24 710) nutzen ebenfalls Beschleunigerspulen konventioneller Bauart, die in Richtung der Beschleuniger räumlich und zeitlich nacheinander wirken. Bei diesen Systemen ist eine sehr große Anzahl (12 bis 15 Stück) von Beschleunigerspulen notwendig, um auf die erforderliche Gesamtbeschleunigung zu kommen, wie sie zum Erreichen von Strahlmittelgeschwindigkeiten von 90 - 100 m/s benötigt werden. Eine derartige Geschwindigkeit ist für eine entsprechende Oberflächenbehandlung erforderlich. Solche mehrstufigen Anordnungen werfen erhebliche Probleme auf, da die zeitliche Abfolge der Pulse in den einzelnen Stufen sehr genau an die von Stufe zu Stufe zu nehmende Geschwindigkeit der Strahlmittelpakete angepaßt werden muß. Der Zwang zu mehrstufigen Anordnungen bei Verwendung konventioneller Beschleunigerspulen ist letzten Endes begründet in den geringen Induktionswerten, die mit solchen Spulen erzielbar sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, d.h. eine Vorrichtung zu schaffen, bei der das Strahlmittel mit Hilfe der in einer Beschleunigerspule erzeugten Magnetkraft beschleunigt wird und dabei mit einem geringeren Energiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen Beschleunigungsarten bei gleichwertiger Leistung (durchgesetzte Strahlmittelmenge pro Zeiteinheit) auskommt.
Diese Aufgabe wird durch den Einsatz eines an sich bekannten Flußkonzentrators erreicht. Derartige Flußkonzentratoren wurden bisher auf vollständig anderen Gebieten, insbesondere in der Grundlagenforschung, eingesetzt. Diese Flußkonzentratoren weisen einen Kern aus elektrisch gutleitendem Material, z.B. aus Kupfer, auf, in dem eine Nutzfeldbohrung und ein radialer Schlitz vorhanden ist. Wenn nun eine sich außen auf dem Kern befindliche Wicklung von einem pulsförmigen Strom durchflossen wird, so wird nach dem Transformatorprinzip ein Strom in Gegenrichtung in den elektrisch gut leitenden Kern induziert, der als Pulsstrom nur an der Oberfläche des Kerns fließt. An der Stelle des radialen Schlitzes wird der Stromfluß nach innen um die Nutzfeldbohrung erzwungen. Hierdurch baut sich ein sehr starkes Magnetfeld auf, das so stark ist, daß in manchen Fällen bereits ein "einstufiger" Flußkonzentrator ausreicht, um die gewünschte Strahlmittelgeschwindigkeit zu erreichen. In jedem Fall ist aber gegenüber bekannten Anordnungen mit konventionellen Beschleunigerspulen eine Reduktion der Spulenzahl um den Faktor 4 - 5 möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die eigentliche Beschleunigungseinheit mit einem Flußkonzentrator;
Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung der zeitlichen Steuerung der wesentlichen Bauteile der Beschleunigereinheit nach Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Flußkonzentrators im Querschnitt zur Verdeutlichung seiner Wirkungsweise;
Fig. 5 eine Stirnansicht auf eine Ausführungsform eines Flußkonzentrators;
Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI der Fig. 5;
Fig. 7 ein Ersatzschaubild für einen Pulsgenerator zur Versorgung eines Flußkonzentrators nach den Fig. 5 und 6; und
Fig. 8 ein Schaubild zur Verdeutlichung des Verlaufs der Induktion bei dem Flußkonzentrator nach Fig. 6.

In Fig. 1 ist eine Strahlmittelvorrichtung dargestellt, die grundsätzlich so aufgebaut ist, wie herkömmliche Strahlmittelvorrichtungen. Sie besteht aus einer elektromagnetischen Beschleunigungseinheit 1, deren Herzstück ein Flußkonzentrator ist. In der Strahlmittelkabine 2 ist ein beweglicher Strahlschlauch 3 angeordnet, mit dessen Hilfe eine Bedienungsperson das beschleunigte Strahlmittel auf ein Werkstück 4 lenken kann. Die Strahlmittelrück- und zuführung ist mit 5 bezeichnet.
Die in Fig. 2 dargestellte Beschleunigungseinheit besteht aus einem Flußkonzentrator 6 als Beschleunigerspule. Das Strahlmittel 9 wird über eine Zuführeinrichtung 8 zugeführt.
Eine Dosierspule 7 dient als "Vorbündeler", durch den das Strahlmittel in der gewünschten Menge dem Flußkonzentrator 6 zugeteilt wird. Der Strahlmittelaustritt ist mit 10 bezeichnet. Auf diesen Austritt wird der in Fig. 1 erkennbare Strahlschlauch 3 aufgesetzt. Durch den Einsatz eines derartigen magnetischen Flußkonzentrators als Beschleunigerspule sind sehr viel höhere Induktionswerte (mindestens um den Faktor 4 bis 5 gegenüber konventionellen Beschleunigerspulen) erzielbar. Damit können bereits grundsätzlich in einer einstufigen Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, Strahlmittelgeschwindigkeiten von ca. 50 bis 60 m/s erreicht werden. Die zeitliche Steuerung ist dadurch erheblich einfacher, weil der Flußkonzentrator 6 und die Dosierspule 7 zeitlich synchron so er- bzw. entregt werden können, wie es in Verbindung mit Fig. 3 dargestellt ist. Die geschwindigkeitsabhängige - und damit besonders komplexe - Steuerung weiterer Beschleunigungsstufen entfällt.
Der in Fig. 4 praktisch als Schnitt senkrecht zur Achse der Bewegungdes Strahlmittels dargestellte, im wesentlichen rotationssymmetrische Flußkonzentrator weist einen aus elektrisch gut leitendem Material (z.B. Kupfer) aufgebauten Kern 11 auf, in dem eine zylindrische Nutzfeldbohrung 12 und ein radialer Schlitz 13 vorhanden sind. Die Erregerwicklung, die aus mehreren Windungen bestehen kann, ist mit 14 bezeichnet.
In den Fig. 5 und 6 ist eine andere, vorteilhafte Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Erregerwicklungen 14 und 15 konzentrisch mit entsprechenden Konzentratorkernen miteinander verschachtelt. Der innere Teil entspricht demjenigen nach Fig. 4 und ist mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Auf diesen inneren Teil ist eine Konzentratorschale 18 aufgesetzt, die als zusätzlicher Kern für die äußere Erregerwicklung 15 wirkt. Die beiden Anordnungen addieren sich in ihrer Wirkung. Die Konzentratorschale 18 ist mit dem inneren Kern 11 bei 19 verbunden.
Fig. 7 zeigt das Schaltbild eines mit Thyristoren T₁, T₂ arbeitenden Pulsgenerators, mit dem ein nach den Fig. 5 und 6 aufgebautes System erprobt wurde. Die Spannungsquelle mit der Spannung UO lädt den Kondensator C_L, der periodisch über die parallel als steuerbare Schalter wirkenden Thyristoren T₁, T₂ in die Lastinduktivität L_L des Flußkonzentrators entladen wird (Induktivität der Erregerspulen) und aufgrund des so entstehenden pulsförmigen Stromflusses dort das gewünschte Nutzfeld mit der Induktion B bewirkt.
Fig. 8 zeigt einen mit einem Konzentratoraufbau nach den Fig. 5 und 6 und einem Pulsgenerator nach Fig. 7 erhaltenen Verlauf der Induktion B über der Achse des Flußkonzentrators. Die angegebenen Abmessungen in Millimeter entsprechen einer in der Praxis erprobten Ausführungsform. Bei dieser wurden zwei Erregerwicklungen mit je zehn Windungen mit je einem Strom von 10 000 A betrieben. Die Windungen der Erregerwicklungen wurden direkt wassergekühlt. Bei einem Betrieb mit einer Pulsfolgefrequenz von 50 Hz und einer Pulsdauer beträgt die Verlustleistung ca. 5 kW.
Wird nun eine sich außen auf dem Kern des Flußkonzentrators nach Fig. 4 befindliche Wicklung 14 in Pfeilrichtung von einem pulsförmigen Strom durchflossen, so wird nach dem Transformatorprinzip ein Strom in Gegenrichtung in den elektrisch gut leitenden Kern induziert (siehe Pfeilrichtung dort), der als Pulsstrom nur an der Oberfläche des Kerns fließt. An der Stelle des radialen Schlitzes 3 wird der Stromfluß nach innen um die Nutzfeldbohrung 12 in der dargestellten Pfeilrichtung erzwungen. Hier baut sich das gewünschte sehr starke Magnetfeld auf.
Die in Fig. 2 dargestellte Beschleunigereinheit arbeitet so, daß zuerst die Dosierspule 7 kurzzeitig stromlos wird (siehe auch oberes Zeitdiagramm in Fig. 3), so daß auch die Induktion B dieser Dosierspule verschwindet. Das Strahlmittel wird freigegeben und setzt sich in Bewegung. Wird nun gleichzeitig der als Beschleuniger wirkende magnetische Flußkonzentrator 6 erregt (siehe auch unteres Zeitdiagramm in Fig. 3), so wird unter dem Einfluß der sehr viel höheren Induktion B des Flußkonzentrators eine kräftige Beschleunigung des Strahlmittels einsetzen. Diese ist nur während der Pulsdauer in der Beschleunigerspule wirksam. Diese Pulsdauer muß gerade so eingestellt werden, daß beim Austritt des Strahlmittels aus dem Flußkonzentrator der Puls beendet ist. Wird nun mit dem Ende des Beschleunigerpulses synchron die Dosierspule 7 wieder erregt, so setzt ihre Haltewirkung wieder ein (siehe oberes Zeitdiagramm in Fig. 3). Auf diese Weise wird der Zufluß weiteren Strahlmittels unterbunden. Insgesamt ergibt sich eine periodisch pulsförmige Beschleunigung von Strahlmittelpaketen mit der Periodendauer T (siehe Fig. 3), die z.B. 20 ms betragen kann. Dieses entspricht einer Pulsfolgefrequenz von 50 Hz.
In Verbindung mit der Verwendung eines Flußkonzentrators und ggf. einer stromaufwärts angeordneten Dosierspule, kann eine Meßspule verwendet werden, die bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zwischen den Spulen 6 und 7 angeordnet ist. Diese Meßspule erfaßt eintretendes Strahlmittel als elektrisches Signal, um in der in Bewegungsrichtung folgenden Beschleunigerspule (in Fig. 2 mit 6 bezeichnet) einen Stromimpuls zu zünden. Hierdurch wird eine besonders wirtschaftliche und genaue Steuerung möglich.

Claims

1. Vorrichtung zum Beschleunigen eines aus magnetisch beeinflussbaren, insbesondere Eisenpartikeln, bestehenden Strahlmittels zum Behandeln von Werkstückoberflächen mit einer oder mehreren längs des Weges des Strahlmittels angeordneten elektromagnetischen Beschleunigerspule(n), die in Abhängigkeit von dem sich bewegenden Strahlmittel er- oder entregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Beschleunigerspule ein an sich bekannter Flußkonzentrator ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Flußkonzentrator (6) stromaufwärts eine Dosierspule (7) vorgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Bewegungsrichtung des Strahlmittels vor jeder Beschleunigerspule eine Meßspule angeordnet ist, die eintretendes Strahlmittel als elektrisches Signal erfaßt, um in der in Bewegungsrichtung folgenden Beschleunigerspule einen Stromimpuls zu zünden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Erregerwicklungen (14, 15) konzentrisch miteinander verschachtelt sind, wobei zwischen zwei derartig angeordneten Erregerwicklungen jeweils eine Konzentratorhülse (18) als Kern angeordnet ist, die mit dem inneren Konzentratorkern (11) verbunden ist.