WO2024013259A1 - Linearaktor mit optimierter induktivität und verfahren zum wickeln und verschalten von spulen - Google Patents

Linearaktor mit optimierter induktivität und verfahren zum wickeln und verschalten von spulen Download PDF

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WO2024013259A1
WO2024013259A1 PCT/EP2023/069372 EP2023069372W WO2024013259A1 WO 2024013259 A1 WO2024013259 A1 WO 2024013259A1 EP 2023069372 W EP2023069372 W EP 2023069372W WO 2024013259 A1 WO2024013259 A1 WO 2024013259A1
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WO
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linear actuator
rotor
coil
stator
designed
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/069372
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Krall
Thomas Weiler
David JAUNECKER
Helmut CAUDR
Friedrich Bleicher
Original Assignee
Technische Universität Wien
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/006—Peening and tools therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/035—DC motors; Unipolar motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H02K7/145—Hand-held machine tool

Definitions

  • the invention relates to a reluctance linear actuator according to the preamble of patent claim 1 and tools or drives designed with such a linear actuator.
  • Such a tool for surface peening (Machine Hammer Peening, MHP) is usually clamped in a machine tool or a robot so that the workpiece to be machined is machined by a large number of individual, precisely arranged strokes of a usually spherical tool tip.
  • the contact between the tool tip and the workpiece surface can occur continuously or periodically.
  • a linear actuator causes this tool to vibrate with a defined impact frequency, impact amplitude and zero crossing.
  • This oscillating movement of the tool also known as a plunger, can be achieved using various actuator principles.
  • Linear actuators can basically be divided into different categories according to their mode of operation, the travel path of the rotor and the design.
  • Linear actuators that operate predominantly mechanically are, for example, in the publications DE 20 2015 000 360 U1, WO 2016 136 169 A1, DE 10 2014 107 173 A1, DE 10 2016 000 389 A1, DE 202015 003 249 U1, EP 2 851 441 A2, EP 2 851 442 A1 and US 2014 000 7 394 A1.
  • the tools described in the publications DE 102009 041 720 A1 and DE 20 2013 002 473 U1 use a piezoelectric linear drive.
  • Pneumatic tools or tools operated with coolants/lubricants are the subject of the publications DE 10 2012 103 111 A1 and DE 20 2009 001 619 U1.
  • Direct-Zindirect sonotrode-controlled tools are disclosed in the publications US 6 932 876 B1, US 2007 0244 595 A, US 2015 011 4 074 A and WO 2004 028 739 A1.
  • reluctance linear actuators are also known in which an axially adjustable rotor/actuator is guided in a stator, the stroke of the rotor/actuator being generated by the reluctance force.
  • the mode of operation of such linear actuators is described, for example, in the publications “Identification of Some Tubular Topologies of Linear Switched Reluctance Generator for Direct Drive Applications in Oceans Wave Energy Conversion”; R.P.G. Mendes, R.M.R.A. Calado, S.J.P.S. Mariano; Proceedings of the World Congress on Engineering 2014, Vol 1, WCE 2014, July 2 - 4, 2014, London, U.K.
  • the publication WO 2017/129 249 A1 describes a multi-phase reluctance linear actuator in which a modular tubular stator has a large number of coils lying axially one behind the other, which are connected by radial webs limited recesses are included. A rotor is guided in an axially displaceable manner in this stator, which in this exemplary embodiment has a plurality of ring-shaped permanent magnets on its outer circumference, each of which is inserted into an annular groove.
  • the patent application DE 29 31 685 A1 describes reluctance linear actuators in which a stator is conical and has annular grooves along its outer circumference, the groove diameter of which changes depending on the butting. A winding made of a single wire is inserted into these slots, the windings of this winding being oriented in opposite directions in adjacent slots, so that an electrical current passed through this winding has an opposite current direction in two successive windings.
  • This stator is surrounded by a cup-shaped, also tapered rotor, with ribs being formed on the inner circumference of the rotor, which form pairs of pole faces with correspondingly designed, adjacent grooves separating ribs, between which an air gap is formed, which is formed when the winding is energized is minimized due to the reluctance force.
  • DE 10 2005 017 483 A1 describes a linear actuator in which two oppositely wound coils are arranged one behind the other in a stator in the lifting direction, with the winding axis of the coil running transversely to the lifting direction.
  • the two coils are arranged within two rotor guides of the stator, on the surfaces of which pairs of teeth are arranged facing a rotor.
  • the rotor which is movable between these pairs of teeth, is U-shaped, with each U-leg being formed by a stack of permanent magnetic rods, which are arranged with an air gap to the pairs of teeth, so that when the rotor is energized, it can be adjusted in the lifting direction due to the reluctance force.
  • DE 44 07 385 A1 describes a flat reluctance linear actuator which is designed to transport objects in a linear direction, with areas delimiting an air gap between the stator and the rotor being formed by a soft magnetic material in which the above-described toothing forms Grooves are incorporated.
  • EP 2 884 637 A1 shows a reluctance linear actuator for adjusting an optical assembly, in which, similar to the solutions described above, teeth are provided on the stator and rotor sides, between which an air gap is formed, which is formed when a coil arrangement on the stator side is energized due to the Reluctance force is minimized so that the rotor carries out a corresponding stroke.
  • WO 2019/096834 A1 which goes back to the applicant, describes a reluctance linear actuator with a tubular stator, on which a plurality of axially spaced coils are arranged in an annular recess in an inner surface of the stator.
  • a rotor is mounted in an axially adjustable manner in the tubular stator and has a tooth profile on its outer circumference, which forms an air gap with the radial webs delimiting the recesses of the stator.
  • the coils are controlled via power electronics in such a way that the rotor carries out a regulated stroke depending on the control due to the reluctance force.
  • the current direction of adjacent coils is designed in opposite directions in this known linear actuator.
  • the geometry of the radial webs and the tooth profile is optimized with regard to the magnetic flux, so that the stroke can be achieved with high dynamics.
  • the structure of this reluctance linear actuator is further simplified since no permanent magnets are provided, as in some of the solutions described above, with the stator and rotor being made of a magnetically conductive material, preferably a soft magnetic material. With this drive design, very high force densities can be achieved in a single-phase version.
  • the disadvantage of this solution is that the structure with a large number of coils guided on a tubular stator requires a lot of manufacturing effort during production and is also associated with a considerable amount of installation space.
  • an electromagnetic device having a winding through which electric current can be passed, comprising two relatively movable members which move relatively in response to the magnetic field generated by the passage of electric current through the winding.
  • one of the links has a generally annular shape and surrounds the other link at a distance, the other link having a substantially cylindrical peripheral surface and the inner surface of one link and the peripheral surface of the other link each having a double-start screw groove or with a screw groove with a multiple of two turns and the grooves form ribs on the surfaces, the grooves or successive grooves on one of the links supporting the electrical winding which is arranged so that the direction of current flow in the Parts of the winding in the slots or in successive slots run oppositely, the arrangement being such that when electrical current flows through the winding, the links move relative to one another in a direction that the ribs on the two links align with one another become.
  • US 4,003,013 A discloses an electromagnetic device comprising a pair of relatively movable magnetizable elements, the surfaces of which are arranged opposite one another.
  • US 3,353,040 A discloses a different type of electrodynamic converter
  • US 2009/0243416 A1 discloses an electric motor.
  • these devices are based on a different technical field and are unfamiliar to a specialist.
  • reluctance linear actuator with a tubular trained stator, on which a plurality of mutually spaced coils are arranged in a circumferential recess of an inner circumferential surface of the stator, the recesses being axially delimited by radial webs, having a rotor which is mounted axially displaceably and on its magnetically active stator facing circumference has a tooth profile, which forms an air gap with the radial webs and is provided with power electronics for controlling the coils, so that the rotor carries out a controlled / adjustable stroke depending on the control due to the reluctance force.
  • the tooth profile is designed to be complementary to the radial webs, with these and the tooth profile each being designed with annular grooves that are open towards the stator or the rotor and which are arranged approximately radially opposite one another with a minimal air gap, and that the stator and the rotor is made of magnetically conductive or soft magnetic material.
  • the invention is based on the object of creating a generic reluctance linear actuator which enables a highly dynamic movement sequence with a compact structure.
  • the invention is also based on the object of creating suitable applications in which the optimized reluctance linear actuator can be used, i.e. to present an actuator that can be cleverly used in various applications.
  • the reluctance linear actuator has an axially adjustable rotor and a stator arranged coaxially therewith and at least one coil arranged in the area between the stator and the rotor. This is in a slot in the stator guided, which is limited by groove webs. A groove profile facing the groove webs is formed on the rotor, the groove walls of which each form/limit an air gap with the groove webs.
  • the linear actuator is further designed with power electronics for controlling the coil in such a way that the rotor carries out a controllable stroke depending on this control due to the reluctance force, so that when the at least one coil is energized, the preferably axial offset between the groove webs and the groove profile is minimized .
  • the stator and the rotor are made of magnetically conductive or soft magnetic material.
  • the stroke then corresponds approximately to the axial width of a groove web or a rotor web of the groove wall.
  • the groove and/or the groove profile as a double helix is designed with two turns, with the coil being guided along a helical turn from a coil entry to a turning point and from this being guided back in opposite directions along the second helix turn to a coil exit, the coils leading to and away from the turning point Coil sections are arranged bifilarly.
  • the linear actuator therefore has at least one restoring element that is designed in such a way that during operation the rotor is brought into a specific predefined starting position after a lifting movement. It therefore has a restoring element or several restoring elements, preferably in the form of restoring springs, for example in the manner of helical springs, preferably helical compression springs, whereby the rotor is forced into a predefined starting position after a lifting movement.
  • This embodiment according to the invention with one or more restoring elements enables a continuous and a discrete movement (i.e. triggering one or more individual blows) of the hammer head. Because the runner can be brought into a predefined starting position, the necessary kinetic energy, which depends on the necessary impact distance and the material of the sample, can be precisely adjusted.
  • a bifilar winding can be produced much more easily than the complex windings according to the prior art described above, whereby In particular, the internal support of the at least one coil on the stator, which is surrounded by the rotor, is also advantageous.
  • the concept according to the invention is very easily scalable, since the choice of the wire diameter of the coil allows its axial length to be easily adapted to different requirements. In the state of the art described above, this scalability is not possible due to the complex structure of the stator. Another advantage is that the two-start double helix is much easier to produce in terms of production technology than the groove structure in the known solutions, in which a large number of axially spaced annular grooves with complex tooth profiles have to be produced.
  • the present system can be operated in controlled and regulated operation.
  • the regulation relates to the movement and thus to the speed of the hammer head and ultimately to the forming work introduced into the workpiece.
  • the simplicity of the power electronics makes it possible to specify the energy introduced in a defined manner by specifying the duty cycle of the coil voltage.
  • this duty cycle can also be operated in regulation with a minimum inductance, so that a target speed and thus also the kinetic energy can be maintained or is maintained at a constant level.
  • the at least one restoring element is designed to be resilient in the direction of movement of the rotor and/or a plurality of restoring elements are arranged distributed over the circumference of the stator. It is advantageous if the restoring elements, for example 3, 4 or 5 pieces, are evenly distributed over the circumference and have the same radial distance from the center. They can be designed as elastomers. All restoring elements can be of the same type or can be specifically chosen to be different. It can be provided that the linear actuator has at least one restoring element in the form a return spring, preferably a plurality of return elements in the form of return springs.
  • the linear actuator has a plurality of restoring elements in the form of restoring springs, which are distributed over the circumference of the stator and are designed in such a way that during operation the rotor is brought into a specific predefined starting position after a lifting movement.
  • the rotor is designed to be tubular on the outside, so that it surrounds the stator, with the groove guiding the at least one coil, designed as a double helix, being formed on the outer circumferential surface of the stator and the associated groove profile, also designed as a double helix, being formed on an inner circumferential surface of the rotor is.
  • the dynamics of the reluctance linear actuator can be further improved if the at least one coil is designed as a stranded cable consisting of a large number of individual wires or of an exactly (pre-)defined number of individual wires.
  • the use of individual strands allows a higher degree of filling or a higher packing density of the slot profile and thus higher currents in the winding.
  • the coil is formed from a single wire with a large number of turns, for example with 12, 13, 14, 15 or 16 turns.
  • the number of windings determines the total inductance or the total inductance is optimized by the (predefined) number of windings, whereby the current is/is limited. This means there is no explicit current limit and the system regulates itself. This ensures easy control.
  • the design of the tooth geometry on the rotor and stator side, which are each formed by the groove profiles guiding the coil, is optimized in such a way that the magnetic flux density is maximized.
  • the tooth geometry and the tooth offset which corresponds to the stroke of a single-phase coil, were designed using a FEMM (Finite Element Method Magnetic) simulation.
  • the optimization criterion chosen was a maximum force flow to achieve high dynamics.
  • the tooth geometry(s) is/are designed such that it tapers, preferably trapezoidally, towards the web.
  • the bridge width is included greater than or equal to the tooth offset. This ensures ease of manufacture and high force density.
  • the coil in particular the stranded wire, is designed to be insulated, so that cooling is possible through direct coolant contact with the coil.
  • cooling can be assigned to the coil to avoid excessive heat generation.
  • This cooling can take place, for example, by means of a coolant, for example air or a cooling liquid, which is guided along the air gap and/or the stator.
  • a coolant for example air or a cooling liquid
  • the design of the reluctance linear actuator is particularly simple if the pitches and groove widths of the double helix on the stator and rotor sides are essentially the same.
  • the linear actuator according to the invention can be used, for example, in a tool for surface hammering, with a mechanical interface for a hammer head being provided on the rotor.
  • linear actuator according to the invention can also be used in other applications, for example in a valve train of an internal combustion engine and/or for actuating servo and/or directional control valves and/or in the vibration-assisted processing of composites or monolithic materials.
  • Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below using schematic drawings. Show it:
  • Figure 1 is a schematic external view of a reluctance linear actuator according to the invention, which is designed to drive a surface hammer;
  • Figure 2 is a schematic representation of the structure of the linear actuator according to Figure 1;
  • Figure 3 shows a schematic diagram of a coil of the linear actuator according to Figures 1 and 2;
  • Figure 4 shows the basic concept of a control circuit of the linear actuator according to the invention
  • Figure 5 shows a representation of the linear actuator corresponding to Figure 3 in a starting position and a target position with field lines that arise when the coil is energized;
  • Figure 6 shows a schematic representation of the linear actuator with coolant flow paths shown
  • Figure 8 is a schematic side sectional view of the reluctance linear actuator according to the invention, which is designed to drive a surface hammer, in a further embodiment
  • Figure 9 is an isometric front view of the reluctance linear actuator according to the invention of the embodiment shown in Figure 8;
  • FIGS. 8 and 9 are isometric rear views of the reluctance linear actuator according to the invention of the embodiment shown in FIGS. 8 and 9 and,
  • Figure 11 shows a schematic functional representation of the control unit of the linear actuator.
  • surface hammer 1 a forming tool for surface hammering, hereinafter referred to as surface hammer 1.
  • this has a hammer head 4 designed with an impact insert 2 made of hard metal or other materials, which is set into periodic oscillations for surface hammering by means of a reluctance linear actuator 6 according to the invention or in continuous contact with the workpiece to be machined can be held.
  • the surface hammer 1 further has a mechanical interface, in the present case a hollow shank cone 8, via which the surface hammer 1 can be inserted into a corresponding tool holder of a machine tool or a robot, so that the surface hammer 1 during machining via the NC axes of the machine tool or the robot.
  • linear actuator 6 can also be used in other applications.
  • linear actuator 6 it is possible to operate a valve train of an internal combustion engine with such a linear actuator 6.
  • the vibration-assisted machining of workpieces made of ceramic materials, hard metals, glass, etc. or composite materials or other monolithic materials can also be carried out with a tool that is designed with such a linear actuator 6.
  • An application in valve trains is also conceivable.
  • a time-discrete control of the stroke of the linear actuator 6 takes place via power electronics, the structure of which will be discussed later.
  • Reference numbers 10, 12 and 14 indicate radial connections for coolant and energy supply as well as for signal transmission.
  • FIG. 2 shows the basic structure of the linear actuator 6, which is accommodated in a housing 16 of the surface hammer 1.
  • a stator 18 arranged coaxially to the hammer head 4 is mounted in the housing 16, on the two radially expanded end sections of which bearing sections, for example plain bearing bushes 20, 22, are formed, which are supported in the housing 16 both in the axial direction and in the radial direction.
  • These plain bearing bushings 20, 22 can be made of ceramic, for example.
  • a rotor 24 is guided so as to be displaceable in the stroke direction along these plain bearing bushes 20, 22.
  • the bearing bushes are firmly pressed into the rotor and are part of the moving mass. In one variant, they are therefore not axially supported.
  • Radially distributed guides prevent the rotor from twisting during the movement process.
  • the rotor 24 is tubular and surrounds the central stator 18 at least in sections.
  • the stator 18 and the rotor 24 are made of a soft magnetic material.
  • a double helix that is to say two parallel spiral-shaped grooves 28, 30, is formed, which extend along the outer circumference of the coil holding section 26 and in which a coil 32 is guided.
  • the two spiral-shaped grooves 28, 30 are each delimited by groove webs 34, 35, the radial extent of which is selected so that the coil winding can completely immerse in the respective groove 28, 30 and therefore does not protrude beyond the outer circumference of the stator 18.
  • the coil 32 is designed as a strand with a large number of individual wires 36, which are surrounded by insulation 38 forming the outer circumference of the strand, or as a single wire 36 with several turns.
  • the coil 32 or, more precisely, the strand enters the area of the coil holding section 26 through a coil entry 40, which extends axially parallel through the plain bearing bushing 20, and is then guided along the spiral groove 28 to a turning point 42 provided in the region of the other plain bearing bushing 22.
  • the coil 32 (strand) is then deflected via this turning point 42 and guided back along the second groove 30 to a coil exit 44.
  • the windings of the coil running towards the turning point 42 are designed with a different shading than the coil section running back from the turning point 42 to the coil exit 44. This creates a type of wire pair made of a robust, insulated stranded cable, which forms the wound coil. If you now energize this coil 32, which is designed in a bifilar winding manner, the current direction is reversed in the area of the turning point 42. The inductance of the winding can be drastically reduced by bifilar winding.
  • a two-start groove profile with spiral-shaped rotor grooves 46, 48 is formed on the inner peripheral wall of the stator 24, the geometry (pitch, groove width) of which corresponds to that of the spiral-shaped grooves 28, 30.
  • the geometry of these rotor webs 50, 52 is designed to correspond to the geometry of the groove webs 34, 35.
  • an axial offset 58 remains between the rotor webs 50, 52 on the one hand and the groove webs 34, 35 on the other hand, which is minimized due to the reluctance force when energized by the lifting movement of the rotor.
  • the coil 32 enters the area of the coil holding section 26 via the indicated coil entry 40 and then runs spirally up to the indicated turning point 42.
  • This coil area follows the geometry of the spiral-shaped groove 28, which is not visible in FIG. 3. It runs away from the turning point 42 Coil 32 then towards the coil exit 44, this coil section of the bifilar winding extending along the further spiral-shaped groove 30 (also not shown in Figure 3).
  • FIG. 4 The basic structure of the aforementioned power electronics 54 is shown in Figure 4.
  • Figure 4 only shows the principle of a possible control;
  • Figure 11 is the structure of the control.
  • force density is maximized, which in turn enables high-frequency control of the coils 32 and correspondingly minimal cycle times of the system.
  • the associated high current intensities combined with a high switching frequency cannot be generated with conventional servo amplifiers or can only be generated with great difficulty. Accordingly, the power electronics 54 shown in FIG. 4 is optimized with regard to the control of the linear actuator according to the invention.
  • the power electronics 54 can be built in some cases, such as a digital signal processor to implement the necessary arithmetic operations, sensory components for position measurement and converters for power supply.
  • the digital signal processor used processes the incoming and outgoing signals as an integrated logic module and controls the drivers of the power electronics 54.
  • the associated software for the digital signal processor contains the complete circuit logic of the actuator unit and must send switching information to a driver stage depending on the situation.
  • the power electronics 54 which in this example is designed for the surface hammering application.
  • the maximum voltage in the exemplary embodiment shown is approximately 100 V, with the system in its current version being operated between 40 and 60 V.
  • the connected driver stage has the task of processing the logic signals of the digital signal processor for controlling the power transistors in the output stage.
  • the achievable dynamics of the switching process is important here, as the resulting switching time of the output stage has a significant impact on the expected overall performance.
  • the output stage is designed so that the required currents are switched by an inductive consumer with high dynamics can be.
  • the required electrical energy is made available via an appropriately sized capacitor.
  • the energy supply can also be provided directly via the power grid. This capacitor should have the lowest possible parasitic inductance in order not to negatively influence the rise time of the current at switch-on time.
  • the current that ultimately flows to the linear actuator is defined by the duty cycle of the coil voltage, the properties of the winding and the total inductance of the system.
  • the system can be operated in control mode by specifying a voltage value over a defined period of time. It is also possible to convert the values from the distance measurement into a vector value of the speed and use this as a measurement variable for control operation in order to regulate the speed and thus the available kinetic energy via the system's duty cycle.
  • a position measuring unit passes on a signal to the power electronics 54, which uses this to determine the exact position and speed of the runner 24.
  • the power electronics 54 further enables communication with a machine tool robot control, so that the surface hammer 1 can be guided along the desired movement path for machining the workpiece and can be triggered at the intended positions.
  • a current flow occurs in the bifilar winding, which changes direction at the turning point 42 and thus also influences the magnetic field formed.
  • the coil 32 When the electrical voltage is applied, the coil 32 generates a magnetic field between the adjacent pairs of pole pieces, which are formed by the opposite groove webs 34, 35 and rotor webs 50, 52, which is pronounced in accordance with the direction of the current.
  • the resulting field lines are shown in the two illustrations according to FIG. 5.
  • the linear actuator 6 has a position sensor (not shown here) which measures/detects the stroke of the rotor 24 over time.
  • a deflected magnetic flux occurs in the area of the exit surface of the magnetic flux on the stator side.
  • this deflection also depends significantly on the offset 58.
  • the ideal position is established between the stator 18 and the rotor 24 with regard to the reluctance, in which the overlap of the slot webs 34, 35 and the rotor webs 50, 52 is maximum and thus an essentially homogeneous magnetic flux is established.
  • the plain bearing bushings 20, 22 are designed so that the rotor 24 can be adjusted by the reluctance force FR with high positioning accuracy.
  • This adjustment of the rotor 24 takes place until the relative position is reached in which the minimum magnetic resistance and at the same time maximum total inductance are present.
  • This state is shown in Figure 5 below. Accordingly, this is achieved with maximum overlap of the groove webs 34, 35 with the rotor webs 50, 52, so that the maximum field line density is set accordingly, the forces acting in the radial direction being maximum and the forces acting in the axial direction being minimal.
  • the radial air gap AR remains constant throughout the entire movement sequence.
  • the offset 58 i.e. the degree of overlap, the reluctance, the inductance and the magnetic flux change with axial movement 18.
  • FIG. 6 shows options for cooling the linear actuator 6 according to the invention. Accordingly, for example, the area of the linear actuator 6 in which the radial air gap AR is formed and also the internal stator can be cooled, so that coolant flow paths 62, 64 are created along the stator 18 or the air gap AR. It is particularly advantageous that in the exemplary embodiment described, the coil 32 is formed by an insulated strand, so that direct contact of the current-carrying areas of the coil with the cooling medium is excluded.
  • Coolant can be used.
  • at least one coolant channel 60 is formed in the stator, through which the coolant flows.
  • This coolant channel 60 can also be closed on one side, whereby a corresponding return flow of the coolant must be made possible.
  • the exemplary embodiment described above is designed as a single-phase system - the corresponding circuit symbol for the coil is shown in Figure 7a.
  • the pole shoe pairs are each designed by a continuous helix with a predetermined pitch and a predetermined tooth geometry (tooth length and tooth width in cross section).
  • FIG. 7b shows an n-phase drive system, specifically a three-phase drive system, in which three coils 32a, 32b, 32c can be controlled via the power electronics 54 in order, for example, to realize a stroke that is greater than the width of the aforementioned webs 50, 52 ; 34, 35 is.
  • bidirectional operation can also be ensured by such a multi-phase arrangement without mechanical resetting (for example via a spring).
  • the stator 18 would then be designed with at least two coils 32a, 32b, whereby these could be designed in a bifi lar winding, offset from one another in the axial direction or also partially overlapping. It should be noted that two coils appear sufficient to ensure bidirectional operation.
  • Figure 8 shows a schematic side sectional view of the linear actuator 6 according to the invention, which has a hammer head 4 made of hard metal or other materials, which is set into periodic oscillations or discrete individual impact movements for surface hammering by means of a linear actuator 6 according to the invention or is held in continuous contact with the workpiece to be machined can.
  • the surface hammer 1 further has a mechanical interface, in the present case a hollow shank cone 8, via which the surface hammer 1 can be inserted into a corresponding tool holder of a machine tool or a robot, so that the surface hammer 1 during machining via the NC axes of the machine tool or the robot.
  • the rotor 24 is arranged relative to the stator in such a way that an air gap 66 is provided between the two elements.
  • the linear actuator 6 also has a temperature sensor and a displacement sensor/position sensor 70. In this view shown, a (combined) data and power socket 72 is arranged on the side of the linear actuator 6.
  • restoring elements 74 in the form of restoring springs, are arranged between the rotor 24 and the hollow shaft cone 8, which return the rotor 24 (after a lifting process) to a predefined starting position.
  • the restoring elements 74 are arranged along the circumference of the stator 18.
  • Figure 9 and Figure 10 show an isometric front view and rear view, respectively, of the linear actuator 6 according to the invention of the surface hammer 1, the embodiment shown in Figure 8.
  • the linear actuator 6 has additional (coolant) connections 10, which are arranged opposite one another on the sides of the hollow shaft cone 8.
  • the large number of restoring elements 74 are clearly visible, here in the form of restoring springs, which are arranged between two opposite rings and are firmly connected to them.
  • the coil 32 is arranged/wound around the stator 18.
  • the rings are in turn firmly connected to the rotor 24.
  • the rotor 24 has a rotor sleeve 76 (shown transparently here) which opens into the housing 16 of the linear actuator 6.
  • Two plain bearings 20, 22 are arranged at the respective ends of the rotor 24.
  • a measuring system 80 is shown, which records the deflections/positions of at least one restoring element 74/change in position of the rotor 24.
  • the control unit 82 has a D/A (digital-analog) input and output 84, an interface 86, a control unit 88, a power stage 90 and a power supply 92 .
  • a first communication interface of the actuator control forms a serial interface, which is implemented either via an NC control 94 or an HMI (human-machine interface) 96, for example a PC or a tablet.
  • the processing parameters such as impact time, intensity and/or frequency are determined and transferred to the control unit 88.
  • the control unit 82 evaluates the values detected by the temperature sensor 68 and the position sensor 70 of the actuator 6 and sends the electrical power 98 dependent thereon to the linear actuator 6.
  • the hardware interface (shown here on the right) thus transmits between the control unit 82 and the linear actuator 6 the digital or analog signals, for example temperature and path data as well as the electrical power.
  • a helical pair of pole shoes is formed between the stator and rotor, to which a coil with bifilar winding is assigned according to the invention.
  • the invention described above is fundamentally characterized by an extremely robust design of the coil/winding, so that shocks and vibrations can be compensated for significantly better than in the prior art.
  • the bifilar winding design makes scaling in terms of the achievable force or stroke easier than with conventional solutions. Cooling of the coil can also be achieved much more easily since, for example, the stator is hydraulically cooled and the insulated winding between the stator and rotor can also be cooled with air. This allows operation with significantly increased current densities. This results in a further increase in force density and thus acceleration capability.
  • the embodiment according to the invention with one or more restoring elements 74 enables a continuous and a discrete movement (ie triggering one or more individual blows) of the hammer head 4.
  • the reduction in inductance which is further increased by the bifilar winding, enables the highest dynamics when energizing the winding.
  • the bifilar winding also enables a further increase in the packing density and thus an increase in the specific force of the drive.

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Abstract

Offenbart ist ein Reluktanz-Linearaktor (6) mit einem zumindest eine Spule (32) tragenden Stator (18) und einem Läufer (24), wobei die Spule (32) als bifilare Wicklung ausgeführt ist und der Linearaktor (6) zumindest ein Rückstellelement (74) aufweist, wodurch der Läufer (24) nach einer Hubbewegung in eine vordefinierte Ausgangsposition bringbar ist.

Description

Linearaktor mit optimierter Induktivität und Verfahren zum Wickeln und Verschalten von Spulen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Reluktanz-Linearaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie mit einem derartigen Linearaktor ausgeführte Werkzeuge bzw. Antriebe.
Ein derartiges Werkzeug zum Oberflächenhämmern (Machine Hammer Peening, MHP) wird üblicherweise in eine Werkzeugmaschine oder einen Roboter eingespannt, so dass das zu bearbeitende Werkstück durch eine Vielzahl einzelner, präzise aneinandergereihter Schläge einer üblicherweise kugelförmigen Werkzeugspitze bearbeitet wird. Dabei kann der Kontakt zwischen der Werkzeugspitze und der Werkstückoberfläche kontinuierlich oder periodisch erfolgen. Bei der periodischen Beaufschlagung einer üblicherweise eingesetzten Hartmetallspitze auf eine Werkstückoberfläche, wird durch einen Linearaktor dieses Werkzeug in Schwingungen mit definierter Schlagfrequenz, Schlagamplitude und Nulldurchgang versetzt. Diese oszillierende Bewegung des Werkzeugs, auch als Stößel bezeichnet, kann dabei durch verschiedene Aktor-Prinzipien bewerkstelligt werden.
Linearaktoren können grundsätzlich nach deren Wirkungsweise, dem Fahrweg des Läufers sowie der Bauform in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden.
Überwiegend mechanisch arbeitende Linearaktoren sind beispielsweise in den Druckschriften DE 20 2015 000 360 U 1 , WO 2016 136 169 A1 , DE 10 2014 107 173 A1 , DE 10 2016 000 389 A1 , DE 202015 003 249 U1 , EP 2 851 441 A2, EP 2 851 442 A1 und US 2014 000 7 394 A1 beschrieben.
Die in den Druckschriften DE 102009 041 720 A1 und DE 20 2013 002 473 U1 beschriebenen Werkzeuge verwenden einen piezoelektrischen Linearantrieb. Pneumatische oder mit Kühl-/Schmiermittel betriebene Werkzeuge sind Gegenstand der Druckschriften DE 10 2012 103 111 A1 und DE 20 2009 001 619 U1.
Direkt-Zindirekt-sonotrodengesteuerte Werkzeuge sind in den Druckschriften US 6 932 876 B1 , US 2007 0244 595 A, US 2015 011 4 074 A und WO 2004 028 739 A1 offenbart.
Bei elektrischen Antrieben, wie sie beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2006 033 004 A1 und US 4 641 510 A beschrieben sind, wird zwischen den Arten der Reaktionskräfte in Abhängigkeit vom Wirkprinzip unterschieden. Nach dem elektrodynamischen Prinzip (beispielsweise dem Tauchspulenprinzip) arbeitende Linearaktoren weisen aufgrund der ungünstigen Massenverteilung des mechanischen Aufbaus wesentliche Nachteile im Bereich der Dynamik und der Kraftentfaltung auf. Zudem sind die bei diesen Systemen verwendeten mechanisch hochbelasteten Spulen sowie eine geringe Leistungsdichte für einen hochdynamischen Bewegungsauflauf nachteilig.
Neben den vorbeschriebenen Linearantrieben sind auch Reluktanz-Lineraraktoren bekannt, bei denen ein axial verstellbarer Läufer/Aktor in einem Stator geführt ist, wobei der Hub des Läufers/Aktors durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. Die Wirkweise derartiger Linearaktoren ist beispielsweise in den Druckschriften „Identification of Some Tubular Topologies of Linear Switched Reluctance Generator for Direct Drive Applications in Oceans Wave Energy Conversion“; R.P.G. Mendes, R.M.R.A. Calado, S.J.P.S. Mariano; Proceedings of the World Congress on Engineering 2014, Vol 1 , WCE 2014, Juli 2 - 4, 2014, London, U.K. und „Anlaysis and Modelling of Linear- Switched Reluctance for Medical Application“, Jean-Francois Llibre, Nicolas Martinez, Pascal Leprinc, Bertrand Nogarede; Actuators 2013, 2, 27 - 44 (www.mdpi.com/iournal/actuators) beschrieben.
In der Druckschrift WO 2017/129 249 A1 ist ein mehrphasiger Reluktanz- Linearaktor beschrieben, bei dem ein modular aufgebauter tubulärer Stator eine Vielzahl von axial hintereinander liegenden Spulen aufweist, die in durch Radialstege begrenzten Ausnehmungen aufgenommen sind. In diesem Stator ist ein Läufer axial verschiebbar geführt, der bei diesem Ausführungsbeispiel an seinem Außenumfang eine Vielzahl von ringförmigen Permanentmagneten aufweist, die jeweils in eine Ringnut eingesetzt sind.
Entsprechende Reluktanz-Linearaktoren sind auch in den Druckschriften DE 44 07 385 A1 , DE 43 11 664 A1 und WO 85/05507 A1 beschrieben. All diese Systeme sind für vergleichsweise große Hübe ausgelegt, so dass eine mehrphasige Ansteuerung vorgesehen ist und am Stator oder Läufer Permanentmagnete vorgesehen werden.
In der Patentanmeldung DE 29 31 685 A1 sind Reluktanz-Linearaktoren beschrieben, bei denen ein Stator konisch ausgebildet ist und entlang seines Außenumfangs Ringnuten aufweist, deren Nutdurchmesser sich in Abhängigkeit von der Konifizierung ändert. In diese Nuten ist eine Wicklung aus einem einzelnen Draht eingelegt, wobei die Windungen dieser Wicklung in benachbarten Nuten gegenläufig orientiert sind, sodass ein durch diese Wicklung geführter elektrischer Strom in zwei aufeinanderfolgenden Windungen eine entgegengesetzte Stromrichtung aufweist. Dieser Stator wird von einem tassenförmigen, ebenfalls konifizierten Läufer umgriffen, wobei am Innenumfang des Läufers Rippen ausgebildet sind, die mit entsprechend ausgeführten, benachbarte Nuten voneinander trennenden Rippen, Polflächen-Paare ausbilden, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, der bei einer Bestromung der Wicklung aufgrund der Reluktanzkraft minimiert wird.
In der DE 10 2005 017 483 A1 ist ein Linearaktor beschrieben, bei dem in einem Stator zwei gegenläufig gewickelte Spulen in Hubrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei die Wicklungsachse der Spule quer zur Hubrichtung verläuft. Die beiden Spulen sind innerhalb zweier Läuferführungen des Stators angeordnet, an deren einem Läufer zugewandten Flächen Zahnpaare angeordnet sind. Der zwischen diesen Zahnpaaren bewegliche Läufer ist U-förmig ausgebildet, wobei jeder U-Schenkel durch einen Stapel dauermagnetischer Stäbe ausgebildet ist, die mit einem Luftspalt zu den Zahnpaaren angeordnet sind, so dass bei einer Bestromung der Läufer aufgrund der Reluktanzkraft in Hubrichtung verstellbar ist. In der DE 44 07 385 A1 ist ein flächiger Reluktanz-Linearaktor beschrieben, der zum Transport von Objekten in linearer Richtung ausgelegt ist, wobei einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Läufer begrenzende Bereiche durch ein weichmagnetisches Material ausgebildet sind, in das die vorbeschriebene Verzahnung ausbildende Nuten eingearbeitet sind.
In der EP 2 884 637 A1 ist ein Reluktanz-Linearaktor zur Verstellung einer optischen Baugruppe gezeigt, bei dem ähnlich wie bei den vorbeschriebenen Lösungen stator- und läuferseitig Zähne vorgesehen sind, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist, der bei Bestromung einer statorseitigen Spulenanordnung aufgrund der Reluktanzkraft minimiert wird, sodass der Läufer einen entsprechenden Hub durchführt.
In der auf die Anmelderin zurückgehenden WO 2019/096834 A1 ist ein Reluktanz- Linearaktor mit einem tubular ausgebildeten Stator beschrieben, an dem eine Vielzahl von axial zueinander beabstandeten Spulen in jeweils einer ringförmigen Ausnehmung einer Innenmantelfläche des Stators angeordnet sind. In dem tubulären Stator ist ein Läufer axial verstellbar gelagert, der an seinem Außenumfang ein Zahnprofil aufweist, das mit den die Ausnehmungen des Stators begrenzenden Radialstegen jeweils einen Luftspalt ausbildet. Die Ansteuerung der Spulen erfolgt bei dem bekannten Reluktanz- Linearaktor über eine Leistungselektronik derart, dass der Läufer in Abhängigkeit von der Ansteuerung aufgrund der Reluktanzkraft einen geregelten Hub durchführt. Die Stromrichtung benachbarter Spulen ist bei diesem bekannten Linearaktor gegenläufig ausgeführt. Die Geometrie der Radialstege und des Zahnprofils ist dabei im Hinblick auf den magnetischen Fluss optimiert, sodass der Hub mit einer hohen Dynamik realisierbar ist. Der Aufbau dieses Reluktanz-Linearaktors ist weiter vereinfacht, da keine Permanentmagnete, wie bei einigen der vorbeschriebenen Lösungen, vorgesehen sind, wobei Stator und Läufer aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material ausgeführt sind. Mit diesem Antriebsdesign lassen sich bei einer einphasigen Ausführung sehr hohe Kraftdichten erreichen. Nachteilig bei dieser Lösung ist allerdings, dass der Aufbau mit einer Vielzahl von an einem tubular ausgebildeten Stator geführten Spulen bei der Herstellung einen hohen Fertigungsaufwand erfordert und zudem mit einem erheblichen Bauraum einhergeht.
Weiterer Stand der Technik ist auch aus der DE 2602672 A1 bekannt. Dort ist Elektromagnetische Vorrichtung mit einer Wicklung offenbart, durch die elektrischer Strom durchleitbar ist, aufweisend zwei relativ bewegbare Gliedern, die in Erwiderung auf das Magnetfeld relativ wandern, das durch den Durchgang von elektrischem Strom durch die Wicklung erzeugt wird. Als Besonders ist herausgestellt, dass eines der Glieder eine allgemein ringförmige Gestalt hat und das andere Glied im Abstand umgibt, wobei das andere Glied eine im wesentlichen zylindrische periphere Fläche hat und die innere Fläche des einen Glieds und die periphere Fläche des anderen Gliede jeweils mit einer zweigängigen Schraubennut oder mit einer Schraubennut mit einem Mehrfachen von zwei Gängen versehen sind und die Nuten an den Flächen Rippen bilden, wobei die Nuten oder aufeinanderfolgende Nuten an einem der Glieder die elektrische Wicklung tragen, die so angeordnet ist, dass die Richtung des Stromflusses in den Teilen der Wicklung in den Nuten oder in aufeinanderfolgenden Nuten entgegengesetzt verläuft, wobei die Anordnung eine solche ist, dass dann, wenn elektrischer Strom durch die Wicklung fließt, sich die Glieder relativ zueinander in eine Richtung bewegen, dass die Rippen an den beiden Gliedern miteinander ausgerichtet werden.
Auch offenbart die US 4,003,013 A eine elektromagnetische Vorrichtung umfassend ein Paar von relativ beweglichen magnetisierbaren Elementen, deren Oberflächen die einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Die ,US 3,353,040 A offenbart einen andersartigen elektrodynamischen Wandler, während die US 2009/0243416 A1 einen elektrischen Motor offenbart. Dese Vorrichtungen sind jedoch auf anderem technischen Gebiet beheimatetet und für einen Fachmann fachfremd.
Einen völlig andersartigen Reluktanz-Linearaktor wird ferner in der DE 102017 127 021 A1 offenbart. Dort wird ein Reluktanz-Linearaktor mit einem tubular ausgebildeten Stator beschrieben, an dem eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Spulen in jeweils einer umlaufenden Ausnehmung einer Innenumfangsfläche des Stators angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen axial durch Radialstege begrenzt sind, aufweisend einen Läufer, der axial verschiebbar gelagert ist und an seinem magnetisch wirksamen, dem Stator zugewandten Umfang ein Zahnprofil aufweist, das mit den Radialstegen jeweils einen Luftspalt ausbildet und mit einer Leistungselektronik zum Ansteuern der Spulen versehen ist, sodass der Läufer in Abhängigkeit von der Ansteuerung aufgrund der Reluktanzkraft einen kontrollierten / regelbaren Hub durchführt. Als Besonders ist herausgestellt, dass das Zahnprofil komplementär zu den Radialstegen ausgebildet ist, wobei diese und das Zahnprofil jeweils mit zum Stator beziehungsweise zum Läufer hin offenen ringförmigen Nuten ausgebildet sind, die bei minimalem Luftspalt etwa einander radial gegenüberliegend angeordnet sind, und dass der Stator und der Läufer aus magnetisch leitfähigem oder weichmagnetischem Werkstoff hergestellt sind.
All diese bekannten Lösungen haben noch spezielle Nachteile, die es zu beseitigen oder wenigstens zu mildem gilt.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Reluktanz-Linearaktor zu schaffen, der bei einem kompakten Aufbau einen hochdynamischen Bewegungsablauf ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, geeignete Anwendungen zu schaffen, bei denen der optimierte Reluktanz-Linearaktor einsetzbar ist, d.h. einen Aktor vorzustellen, der bei verschiedenen Anwendungen geschickt eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Reluktanz-Linearaktor durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf die Anwendungen durch ein Werkzeug gemäß Patentanspruch 13 beziehungsweise Antriebe gemäß den Patentansprüchen 14 bzw. 15 gelöst.
Der erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktor hat einen axial verstellbaren Läufer und einen koaxial dazu angeordneten Stator und zumindest eine im Bereich zwischen dem Stator und dem Läufer angeordnete Spule. Diese ist in einer Nut des Stators geführt, die von Nutstegen begrenzt ist. Am Läufer ist ein den Nutstegen zugewandtes Nutprofil ausgebildet, dessen Nutwandungen mit den Nutstegen jeweils einen Luftspalt ausbilden / begrenzen. Der Linearaktor ist des Weiteren mit einer Leistungselektronik zum Ansteuern der Spule derart ausgeführt, dass der Läufer in Abhängigkeit von dieser Ansteuerung aufgrund der Reluktanzkraft einen regelbaren Hub durchführt, sodass bei Bestromung der zumindest einen Spule der vorzugsweise axiale Versatz zwischen den Nutstegen und dem Nutprofil minimiert ist. Erfindungsgemäß sind der Stator und der Läufer aus magnetisch leitfähigem beziehungsweise weichmagnetischem Werkstoff hergestellt. Der Hub entspricht dann in etwa der axialen Breite eines Nutstegs beziehungsweise eines Läuferstegs der Nutwandung. Die Nut und/oder das Nutprofil als Doppelhelix ist zweigängig ausgeführt, wobei die Spule entlang einer Helixwindung von einem Spuleneintritt zu einem Wendepunkt geführt ist und von diesem entlang der zweiten Helixwindung gegenläufig zu einem Spulenaustritt zurückgeführt ist, wobei die zum Wendepunkt und von diesem weg führenden Spulenabschnitte bifilar angeordnet sind.
Erfindungsgemäß weist der Linearaktor also zumindest ein Rückstellelement auf, dass so gestaltet ist, dass im Betrieb der Läufer nach einer Hubbewegung in eine bestimmte vordefinierte Ausgangsposition gebracht wird. Er besitzt also ein Rückstellelement oder mehrere Rückstellelemente, vorzugsweise in Form von Rückstellfedern, etwa nach Art von Schraubenfedern, bevorzugt Schraubendruckfedern, wodurch der Läufer nach einer Hubbewegung in eine vordefinierte Ausgangsposition gezwungen wird.
Diese erfindungsgemäße Ausführung mit einem oder mehreren Rückstellelementen ermöglicht eine kontinuierliche sowie eine diskrete Bewegung (d.h. ein Auslösen eines oder mehrerer Einzelschläge) des Hammerkopfes. Dadurch, dass der Läufer in eine vordefinierte Ausgangsposition bringbar ist, ist die notwendige kinetische Energie, welche von einem notwendigen Schlagabstand und dem Material der Probe abhängig ist, präzise einstellbar.
Außerdem lässt sich eine bifilare Wicklung wesentlich einfacher als die komplexen Wicklungen gemäß dem vorbeschriebenen Stand der Technik herstellen, wobei insbesondere auch die innere Abstützung der zumindest einen Spule am Stator, der vom Läufer umgriffen wird, vorteilhaft ist. Zudem ist das erfindungsgemäße Konzept sehr gut skalierbar, da durch die Wahl des Drahtdurchmessers der Spule deren Axiallänge sehr einfach eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen ermöglicht ist. Bei dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist diese Skalierbarkeit durch den komplexen Aufbau des Stators nicht gegeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zweigängige Doppelhelix fertigungstechnisch wesentlich einfacher ausführbar ist als die Nutenstruktur bei den bekannten Lösungen, bei denen eine Vielzahl von axial beabstandeten Ringnuten mit komplexen Zahnprofilen hergestellt werden müssen.
Das vorliegende System ist im gesteuerten sowie im geregelten Betrieb betreibbar. Die Regelung bezieht sich dabei auf die Bewegung und damit auf die Geschwindigkeit des Hammerkopfes und letztendlich auf die in das Werkstück eingebrachte Umformarbeit. Die Einfachheit der Leistungselektronik ermöglicht es, über eine Vorgabe der Einschaltdauer der Spulenspannung, die eingebrachte Energie definiert vorzugeben.
Über die eingesetzte Wegmesssensorik / Positionssensorik ist diese Einschaltdauer auch in Regelung bei einer minimalen Induktivität betreibbar, sodass eine Sollgeschwindigkeit und damit auch die kinetische Energie konstant einhaltbar ist bzw. eingehalten wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine Rückstellelement in Bewegungsrichtung des Läufers federelastisch ausgestaltet ist und/oder eine Vielzahl von Rückstellelementen über den Umfang des Stators verteilt angeordnet sind. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Rückstellelemente, beispielsweise 3, 4 oder 5 Stück, über den Umfang gleichverteilt sind und einen gleichen radialen Abstand vom Zentrum besitzen. Sie können als Elastomere ausgebildet sein. Alle Rückstellelemente können gleichartig sind, oder gezielt unterschiedlich gewählt werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Linearaktor zumindest ein Rückstellelement in Form einer Rückstellfeder, bevorzugt eine Vielzahl von Rückstellelementen in Form von Rückstellfedern, aufweist. Besonders bevorzugt weist der Linearaktor eine Vielzahl von über den Umfang des Stators verteilt angeordneten Rückstellelementen in Form von Rückstellfedern auf, welche derart gestaltet sind, dass im Betrieb der Läufer nach einer Hubbewegung in eine bestimmte vordefinierte Ausgangsposition gebracht wird.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Läufer tubular außenliegend ausgeführt, sodass er den Stator umgreift, wobei die die zumindest eine Spule führende, als Doppelhelix ausgebildete Nut an der Außenumfangsfläche des Stators und das zugeordnete, ebenfalls als Doppelhelix ausgebildete Nutprofil an einer Innenumfangsfläche des Läufers ausgebildet ist.
Die Dynamik des Reluktanz-Linearaktors lässt sich weiter verbessern, wenn die zumindest eine Spule als aus einer Vielzahl von Einzeldrähten bzw. aus einer exakt (vor-)definierten Anzahl an Einzeldrähten bestehende Litzenleitung ausgebildet ist. Die Verwendung von einzelnen Litzen erlaubt einen höheren Füllgrad oder eine höhere Packungsdichte des Nutprofils und somit höhere Ströme in der Wicklung. Alternativ ist die Spule aus einem Einzeldraht mit einer Vielzahl an Windungen, beispielsweise mit 12, 13, 14, 15 oder 16 Windungen, ausgebildet.
Die Anzahl der Wicklungen bestimmt dabei die Gesamtinduktivität bzw. die Gesamtinduktivität ist durch die (vordefinierte) Anzahl der Wicklungen optimiert, wodurch der Strom begrenzt ist / wird. Somit liegt keine explizite Stromgrenze vor und das System reguliert sich von selbst. Dies stellt eine einfache Steuerung sicher.
Außerdem ist die Ausführung der Zahngeometrie auf Läufer- und Statorseite, welche jeweils durch die die Spule führenden Nutprofile ausgebildet sind, derart optimiert, dass eine Maximierung der magnetischen Flussdichte vorliegt. Insbesondere, wurden die Zahngeometrie sowie der Zahnversatz, welches dem Hub bei einer einphasigen Spule entspricht, mit einer FEMM-(Finite-Element-Method-Magnetics)- Simulation ausgelegt. Bei dieser Auslegung der Zahngeometrie wurde als Optimierungskriterium ein maximaler Kraftfluss zum Erreichen einer hohen Dynamik ausgewählt. Vorteilhafterweise ist/sind die Zahngeometrie(n) derart ausgebildet, dass sich diese, vorzugsweise trapezförmig, zum Steg hin verjüngt. Die Stegbreite ist dabei größer gleich als der Zahnversatz ausgebildet. Dies stellt eine einfache Herstellbarkeit sowie eine hohe Kraftdichte sicher.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die die Spule, insbesondere die Litzenleitung, isoliert ausgeführt, sodass eine Kühlung durch direkten Kühlmittelkontakt mit der Spule ermöglicht ist.
Um eine Hubumkehr oder einen längeren Hub zu realisieren können mehrere Spulen zu einer mehrphasigen Struktur verschaltet sein, wobei diese über die Leistungselektronik individuell ansteuerbar sind.
Wie vorstehend ausgeführt, kann zur Vermeidung einer übermäßigen Wärmeentwicklung der Spule eine Kühlung zugeordnet sein.
Diese Kühlung kann beispielsweise mittels eines Kühlmittels, beispielsweise Luft oder einer Kühlflüssigkeit erfolgen, die entlang des Luftspalts und/oder des Stators geführt ist.
Der Aufbau des Reluktanz-Linearaktors ist besonders einfach, wenn die Steigungen und Nutbreiten der stator- und läuferseitigen Doppelhelix im Wesentlichen gleich ausgeführt sind.
Der erfindungsgemäße Linearaktor lässt sich beispielsweise bei einem Werkzeug zum Oberflächenhämmern einsetzen, wobei am Läufer eine mechanische Schnittstelle für einen Hammerkopf vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Linearaktor lässt sich jedoch auch bei anderen Anwendungen, zum Beispiel bei einem Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors und/oder zur Betätigung von Servo- und/oder Wegeventilen und/oder bei der schwingungsunterstützten Bearbeitung von Verbundstoffen oder monolithischen Werkstoffen einsetzen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Außenansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanz- Linearaktors, der zum Antreiben eines Oberflächenhammers ausgelegt ist;
Figur 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus des Linearaktors gemäß Figur 1 ;
Figur 3 eine Prinzipdarstellung einer Spule des Linearaktors gemäß den Figuren 1 und 2;
Figur 4 das Grundkonzept eines Regelkreises des erfindungsgemäßen Linearaktors;
Figur 5 eine Figur 3 entsprechende Darstellung des Linearaktors in einer Ausgangsposition und einer Zielposition mit sich bei einer Bestromung der Spule einstellenden Feldlinien;
Figur 6 eine Prinzipdarstellung des Linearaktors mit eingezeichneten Kühlmittelströmungspfaden;
Figur 7 Schaltsymbole eines einphasig und mehrphasig betriebenen Linearaktors;
Figur 8 eine schematische Seitenschnittansicht des erfindungsgemäßen Reluktanz-Linearaktors, der zum Antreiben eines Oberflächenhammers ausgelegt ist, in einer weiteren Ausführungsform;
Figur 9 eine isometrische Vorderseitenansicht des erfindungsgemäßen Reluktanz- Linearaktors der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform;
Figur 10 eine isometrische Rückseitenansicht des erfindungsgemäßen Reluktanz- Linearaktors der in Figur 8 und Figur 9 gezeigten Ausführungsform und,
Figur 11 eine schematische Funktionsdarstellung der Steuerungseinheit des Linearaktors.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Umformwerkzeugs zum Oberflächenhämmern, im Folgenden Oberflächenhammer 1 genannt, erläutert. Dieser hat gemäß Figur 1 einen mit einem Schlageinsatz 2 aus Hartmetall oder sonstigen Materialien ausgeführten Hammerkopf 4, der mittels eines erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktors 6 zum Oberflächenhämmern in periodische Schwingungen versetzt wird oder in kontinuierlicher Anlage an dem zu bearbeitenden Werkstück gehalten werden kann. Der Oberflächenhammer 1 hat des Weiteren eine mechanische Schnittstelle, im vorliegenden Fall einen Hohlschaftkegel 8, über den der Oberflächenhammer 1 in eine entsprechende Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters eingesetzt werden kann, so dass der Oberflächenhammer 1 während der Bearbeitung über die NC-Achsen der Werkzeugmaschine bzw. des Roboters geführt wird.
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktor 6 - im Folgenden mit Linearaktor abgekürzt - auch bei anderen Anwendungen genutzt werden. So ist es beispielsweise möglich, einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors mit einem derartigen Linearaktor 6 zu betätigen. Auch die schwingungsunterstützte Bearbeitung von Werkstücken aus keramischen Werkstoffen, Hartmetallen, Glas etc. oder Verbundwerkstoffen oder sonstigen monolithischen Werkstoffen ist mit einem Werkzeug durchführbar, das mit einem derartigen Linearaktor 6 ausgeführt ist. Eine Anwendung bei Ventiltrieben ist ebenfalls denkbar.
Eine zeitdiskrete Regelung des Hubs des Linearaktors 6 erfolgt über eine Leistungselektronik, auf deren Aufbau später eingegangen wird.
Mit den Bezugszeichen 10, 12 und 14 sind radiale Anschlüsse zur Kühlmittel- und Energieversorgung sowie zur Signalübertragung angedeutet.
Figur 2 zeigt den Grundaufbau des Linearaktors 6, der in einem Gehäuse 16 des Oberflächenhammers 1 aufgenommen ist. Demgemäß ist in dem Gehäuse 16 ein koaxial zum Hammerkopf 4 angeordneter Stator 18 gelagert, an dessen beiden radial erweiterten Endabschnitten Lagerabschnitte, beispielsweise Gleitlagerbuchsen 20, 22 ausgebildet sind, die sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung in dem Gehäuse 16 abgestützt sind. Diese Gleitlagerbuchsen 20, 22 können beispielsweise aus Keramik hergestellt sein. Entlang dieser Gleitlagerbuchsen 20, 22 ist ein Läufer 24 in Hubrichtung verschiebbar geführt. Die Lagerbüchsen sind in einer Variante fest mit dem Läufer verpresst und sind Teil der bewegten Masse. Sie sind somit in einer Variante nicht axial abgestützt. Radial verteilte Führungen verhindern ein Verdrehen des Läufers während des Bewegungsvorganges. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Läufer 24 tubular ausgeführt und umgreift den zentralen Stator 18 zumindest abschnittsweise. Der Stator 18 und der Läufer 24 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestellt.
An einem zwischen den beiden Gleitlagerbuchsen 20, 22 liegenden, gegenüber diesen radial zurückgesetzten Spulenhalteabschnitt 26 des Stators 18 ist eine Doppelhelix, das heißt zwei parallel verlaufende spiralförmige Nuten 28, 30 ausgebildet, die sich entlang des Außenumfangs des Spulenhalteabschnitts 26 erstrecken und in denen eine Spule 32 geführt ist. Die beiden spiralförmigen Nuten 28, 30 sind jeweils durch Nutstege 34, 35 begrenzt, deren Radialerstreckung so gewählt ist, dass die Spulenwindung vollständig in die jeweilige Nut 28, 30 eintauchen kann und somit nicht über den Außenumfang des Stators 18 hinausragt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist gemäß der unten rechts abgebildeten Detaildarstellung die Spule 32 als Litze mit einer Vielzahl von Einzeldrähten 36, die von einer den Außenumfang der Litze bildenden Isolierung 38 umgeben sind, oder als ein Einzeldraht 36 mit mehreren Windungen ausgebildet.
Die Spule 32 oder genauer gesagt die Litze tritt durch einen Spuleneintritt 40, der sich durch die Gleitlagerbuchse 20 achsparallel erstreckt in den Bereich des Spulenhalteabschnitts 26 ein und ist dann entlang der spiralförmigen Nut 28 zu einem im Bereich der anderen Gleitlagerbuchse 22 vorgesehenen Wendepunkt 42 geführt. Über diesen Wendepunkt 42 wird die Spule 32 (Litze) dann umgelenkt und entlang der zweiten Nut 30 rücklaufend zu einem Spulenaustritt 44 geführt. In der Darstellung gemäß Figur 2 sind die zum Wendepunkt 42 hinlaufenden Windungen der Spule mit einer anderen Schattierung als der vom Wendepunkt 42 zum Spulenaustritt 44 zurücklaufenden Spulenabschnitt ausgebildet. Es entsteht somit eine Art Drahtpaar aus einer robusten isolierten Litzenleitung, welche die gewickelte Spule ausbildet. Bestromt man nun diese in bifilarer Wickelweise ausgebildete Spule 32, so erfolgt im Bereich des Wendepunkts 42 eine Umkehrung der Stromrichtung. Die Induktivität der Wicklung kann durch die bifilare Wicklung drastisch reduziert werden.
Wie weiterhin in Figur 2 dargestellt, ist an der Innenumfangswandung des Stators 24 ein zweigängiges Nutprofil mit spiralförmigen Läufernuten 46, 48 ausgebildet, deren Geometrie (Steigung, Nutbreite) derjenigen der spiralförmigen Nuten 28, 30 entspricht. Grundsätzlich sind auch andere Ausprägungen als in der Prinzipskizze der Figur 2 denkbar. Zwischen den parallel verlaufenden spiralförmigen Läufernuten 46, 48 sind Läuferstege 50, 52 angeordnet, die sozusagen die Seitenwandungen der Läufernuten 46, 48 ausbilden. Die Geometrie dieser Läuferstege 50, 52 ist entsprechend der Geometrie der Nutstege 34, 35 ausgebildet.
Wie im Folgenden noch detailliert erläutert (siehe Figur 5), verbleibt zwischen den Läuferstegen 50, 52 einerseits und den Nutstegen 34, 35 andererseits ein axialer Versatz 58, der bei einer Bestromung durch die Hubbewegung des Läufers aufgrund der Reluktanzkraft minimiert wird.
Das Wicklungskonzept ist nochmals anhand der Prinzipdarstellung in Figur 3 erläutert, wobei die Spule 32 um 180° versetzt zu der Darstellung in Figur 2 gezeigt ist. Dementsprechend tritt die Spule 32 über den angedeuteten Spuleneintritt 40 in den Bereich des Spulenhalteabschnitts 26 ein und verläuft dann spiralförmig bis zu dem angedeuteten Wendepunkt 42. Dabei folgt dieser Spulenbereich der Geometrie der in Figur 3 nicht sichtbaren spiralförmigen Nut 28. Vom Wendepunkt 42 weg läuft die Spule 32 dann hin zum Spulenaustritt 44, wobei sich dieser Spulenabschnitt der bifilaren Wicklung entlang der weiteren spiralförmigen Nut 30 (ebenfalls in Figur 3 nicht dargestellt) erstreckt.
In Figur 3 rechts angedeutet sind die Magnetfelder, die sich in dem zum Wendepunkt 42 hin erstreckenden Spulenabschnitt (oben rechts in Figur 3) und in dem sich vom Wendepunkt 42 weg erstreckenden Spulenabschnitt (rechts in Figur 3) einstellen. Man erkennt, dass sich - wie vorstehend ausgeführt - diese Magnetfelder aufgrund der bifilaren Wicklung im Bereich der Stege konzentrieren und annähernd kein magnetischer Fluss auftritt, der geometrisch größere Bereiche als die Stege selbst durchflutet.
Der Grundaufbau der vorgenannten Leistungselektronik 54 ist in Figur 4 dargestellt. Figur 4 zeigt nur das Prinzip einer möglichen Regelung; Figur 11 ist der Aufbau der Steuerung. Es sei angemerkt, dass aufgrund der geometrisch optimierten Formgebung der Antriebskomponenten und der eher unüblichen einphasigen Ausführung es zu einer Kraftdichtenmaximierung kommt, was wiederum eine hochfrequente Ansteuerung der Spulen 32 und entsprechend minimale Zykluszeiten des Systems ermöglicht. Die damit einhergehenden hohen Stromstärken bei gleichzeitig hoher Schaltfrequenz können mit herkömmlichen Servoverstärkern nicht oder nur mit größten Schwierigkeiten erzeugt werden. Dementsprechend ist die in Figur 4 dargestellte Leistungselektronik 54 in Hinblick auf die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Linearaktors optimiert. Zum Aufbau der Leistungselektronik 54 kann teilweise auf Standardmodule, wie beispielsweise einen digitalen Signalprozessor zur Realisierung der notwendigen Rechenoperationen, sensorische Komponenten zur Positionsmessung sowie Wandler zur Spannungsversorgung zurückgegriffen werden. Der eingesetzte digitale Signalprozessor verarbeitet als integrierter Logikbaustein die ein-und ausgehenden Signale und steuert die Treiber der Leistungselektronik 54. Die zugehörige Software für den digitalen Signalprozessor beinhaltet die komplette Schaltungslogik der Aktoreinheit und muss situationsgerecht Schaltinformationen an eine Treiberstufe senden. Die Leistungselektronik 54, welche in diesem Beispiel für den Anwendungsfall Oberflächenhämmern ausgelegt ist. Die Maximalspannung beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 100 V wobei das System in seiner aktuellen Ausführung zwischen 40 und 60 V betrieben wird. Alle Messwerte und Sollwertvorgaben werden an den, auf einem digitalen Signalprozessor basierenden Achssteuerung/Achsregelung geleitet, der somit eine Rolle als zentrale Logikeinheit übernimmt. Die angebundene Treiberstufe hat die Aufgabe, die Logik-Signale des digitalen Signalprozessors für die Ansteuerung der Leistungstransistoren in der Endstufe aufzubereiten. Hierbei ist die erzielbare Dynamik des Schaltvorgangs von Bedeutung, da sich die resultierende Schaltzeit der Endstufe maßgeblich auf die zu erwartende Gesamt-Performance auswirkt. Die Endstufe ist so ausgelegt, dass die geforderten Ströme durch einen induktiven Verbraucher mit hoher Dynamik geschaltet werden können. Gemäß einer Ausführungsform wird die benötigte elektrische Energie über einen entsprechend dimensionierten Kondensator zur Verfügung gestellt. Die Energieversorgung kann auch direkt über das Stromnetz erfolgen. Dieser Kondensator soll eine möglichst geringe parasitäre Induktivität aufweisen, um die Anstiegszeit des Stroms zum Einschaltzeitpunkt nicht negativ zu beeinflussen. Der Strom, welcher letztendlich zum Linearaktor fließt, wird aus der Einschaltdauer der Spulenspannung, den Eigenschaften der Wicklung und der Gesamtinduktivität des Systems definiert. Das System kann im Steuerbetrieb über die Vorgabe eines Spanungswertes über einen definierten Zeitraum betrieben werden. Zudem ist es auch möglich die Werte aus der Wegmessung in eine vektorielle Größe der Geschwindigkeit überzuführen und diese als Messgröße für den Regelbetrieb einzusetzen um über die Einschaltdauer des Systems die Geschwindigkeit und somit die zur Verfügung stehende kinetische Energie zu regeln.
Eine Positionsmesseinheit gibt ein Signal an die Leistungselektronik 54 weiter, welche hieraus die exakte Position und Geschwindigkeit des Läufers 24 ermittelt.
Die Leistungselektronik 54 ermöglicht des Weiteren eine Kommunikation mit einer Werkzeugmaschinen-ZRobotersteuerung, sodass der Oberflächenhammer 1 entlang der gewünschten Bewegungsbahn zur Bearbeitung des Werkstücks geführt und an den vorgesehenen Positionen ausgelöst werden kann.
In Figur 5 oben ist stark vereinfacht die Grundposition des erfindungsgemäßen Linearaktors 6, genauer gesagt die Relativposition des Läufers 24 mit Bezug zum Stator 18 dargestellt. In dieser Grundposition, die beispielsweise durch eine Vorspannung des Läufers 24 (d.h. einstellbar über die am Umfang verteilten Führungen [dienen als Verdrehschutz, Führung der Federn und Endposition des Läufers]) einstellbar ist, liegen die die Läufernuten 46, 48 begrenzenden wendeiförmigen Läuferstege 50, 52 versetzt zu den Nutstegen 34, 35, die die beiden spiralförmigen Nuten 28, 30 begrenzen, so dass der Versatz 58 zwischen diesen Läuferstegen 50, 52 und den Nutstegen 34, 35 maximal ist (Es sei auf folgenden Zusammenhang hingewiesen: Versatz < Stegbreite). In dieser Ausgangsposition sind die Läuferstege 50, 52 und die Nutstege 34, 35 um etwa eine Breite dieser Stege versetzt zueinander angeordnet. Dieser Versatz entspricht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem maximalen Hub des Linearaktors 6, der beispielsweise 1 mm betragen kann. In dieser Grundposition liegt die minimale Gesamtinduktivität des ganzen Systems vor, der magnetische Widerstand hingegen ist am größten. Wird nun an die Spule 32, wie in Figur 5 unten angedeutet, eine Spannung angelegt, so entsteht ein Stromfluss in der bifilaren Wicklung, welcher am Wendepunkt 42 seine Richtung ändert und somit auch das gebildete Magnetfeld beeinflusst. Dabei erzeugt die Spule 32 bei Anlegen der elektrischen Spannung ein magnetisches Feld zwischen den benachbarten Polschuhpaaren, die durch die einander gegenüberliegenden Nutstege 34, 35 und Läuferstege 50, 52 gebildet sind, welches entsprechend der Stromrichtung ausgeprägt ist. In den beiden Darstellungen gemäß Figur 5 sind die sich einstellenden Feldlinien eingezeichnet. Ferner, weist der Linearaktor 6 einen (hier nicht dargestellten) Positionssensor auf, welcher den Hub des Läufers 24 über die Zeit misst / erfasst.
Bei Anlegen der Gleichspannung ist - wie vorstehend ausgeführt - zu Beginn der Ansteuerung der magnetische Widerstand maximal - dies ist durch die vergleichsweise weit beabstandeten Feldlinien in Figur 5 oben dargestellt. Da das System bei der Bestromung der Spule 32 nach einem minimalen magnetischen Widerstand (Reluktanz) strebt, und in der dargestellten Ausgangsposition (Figur 5 oben) der größte magnetische Widerstand wirkt, entsteht eine Reluktanzkraft, die den Läufer 24 in Richtung des minimalen magnetischen Widerstands beaufschlagt, der sich bei einer Überdeckung der Läuferstege 50, 52 mit den Nutstegen 34, 35 einstellt. Es entsteht eine in Figur 5 eingezeichnete Reluktanzkraft in axialer Richtung FR, welche aufgrund der reluktanzoptimierten Steggeometrie vergleichsweise groß ist.
Wie in der Darstellung gemäß Figur 5 oben dargestellt, kommt es im Bereich der Austrittsfläche des magnetischen Flusses statorseitig zu einem abgelenkten magnetischen Fluss. Diese Ablenkung hängt neben den geometrischen Randbedingungen, wie beispielsweise der Ausführung der Zahngeometrie auf Läufer- und Statorseite, auch wesentlich von dem Versatz 58 ab. Bei Bestromung der Spule 32 stellt sich die im Hinblick auf die Reluktanz ideale Position zwischen Stator 18 und Läufer 24 ein, in der die Überdeckung der Nutstege 34, 35 und der Läuferstege 50, 52 maximal ist und somit ein sich im Wesentlichen homogener magnetischer Fluss einstellt.
Zusätzlich entstehen noch Radialkräfte, die den Läufer 24 in Radialrichtung beaufschlagen - diese Radialkräfte werden von der Lagerung, insbesondere einer Gleitlagerung, kompensiert.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gleitlagerbuchsen 20, 22 so ausgelegt, dass der Läufer 24 durch die Reluktanzkraft FR bei hoher Positioniergenauigkeit verstellt werden kann. Diese Verstellung des Läufers 24 erfolgt solange, bis die Relativposition erreicht ist, in der der minimale magnetische Widerstand bei gleichzeitig maximaler Gesamtinduktivität vorliegt. Dieser Zustand ist in Figur 5 unten eingezeichnet. Demgemäß wird dieser bei maximaler Überlappung der Nutstege 34, 35 mit den Läuferstegen 50, 52 erreicht, so dass sich entsprechend die maximale Feldliniendichte einstellt, wobei die in Radialrichtung wirkenden Kräfte maximal und die in Axialrichtung wirkenden Kräfte minimal sind. Dabei bleibt der radiale Luftspalt AR während des gesamten Bewegungsablaufs konstant. Der Versatz 58, d.h. der Grad der Überdeckung, die Reluktanz, die Induktivität und der magnetische Fluss ändern sich jedoch mit axialer Bewegung 18.
Wie vorstehend erläutert, ist eine Leistungselektronik 54 erforderlich, um die hohe Leistung der Spule 32 bereitzustellen. Dabei müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Linearaktor 6 vor Überhitzung und damit vor einer Zerstörung der Antriebseinheit zu schützen. Dies kann zum einen durch eine geeignete Steuerung oder Regelung über die Leistungselektronik und zum anderen durch eine zusätzliche Kühlung erfolgen. Figur 6 zeigt Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Linearaktor 6 zu kühlen. Demgemäß kann beispielsweise der Bereich des Linearaktors 6, in dem der radiale Luftspalt AR ausgebildet ist, und auch der innen liegende Stator gekühlt werden, so dass Kühlmittelströmungspfade 62, 64 entlang des Stators 18 oder des Luftspaltes AR entstehen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die Spule 32 durch eine isolierte Litze ausgebildet ist, so dass ein direkter Kontakt der stromführenden Bereiche der Spule mit dem Kühlmedium ausgeschlossen ist. Dementsprechend kann als Kühlmittel Luft oder auch eine Kühlflüssigkeit verwendet werden. Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Stator zumindest ein Kühlmittelkanal 60 ausgebildet, der von dem Kühlmittel durchströmt wird. Dieser Kühlmittelkanal 60 kann auch einseitig geschlossen werden, wobei eine entsprechende Rückströmung des Kühlmittels ermöglicht werden muss. Prinzipiell ist es möglich, für die Kühlung des radialen Luftspaltes AR und die (innere) Kühlung des Stators 18 unterschiedliche Kühlmittel zu verwenden.
Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel ist als einphasiges System ausgebildet - das entsprechende Schaltsymbol für die Spule ist in Figur 7a dargestellt. D.h. die Stromzufuhr erfolgt über die Stromzuführung L1 , wobei in dem zum Wendepunkt 42 führenden Bereich der Spule 32 die Stromrichtung entgegengesetzt zu derjenigen in dem sich vom Wendepunkt 42 zum Spulenaustritt und somit zum Minuspol des Systems erstreckenden Spulenabschnitts ausgebildet ist.
Ein derartiges einphasiges System ist besonders gut für eine Kurzhubbewegung geeignet, wobei der Maximalhub - wie vorstehend erläutert - etwa der Breite dieser Stege 50, 52; 34, 35 entspricht. Selbstverständlich kann der Hub bei geringerem axialen Versatz auch kleiner sein. Die Polschuhpaare sind erfindungsgemäß jeweils durch eine durchgängige Helix mit einer vorbestimmten Steigung und einer vorbestimmten Zahngeometrie (Zahnlänge und Zahnbreite im Querschnitt) ausgeführt.
In Figur 7b ist ein n-phasiges Antriebssystem, konkret ein dreiphasiges Antriebssystem dargestellt, bei dem über die Leistungselektronik 54 drei Spulen 32a, 32b, 32c ansteuerbar sind, um beispielsweise einen Hub zu realisieren, der größer als die Breite der vorgenannten Stege 50, 52; 34, 35 ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch durch eine derartige mehrphasige Anordnung ohne mechanische Rückstellung (beispielsweise über eine Feder) ein bidirektionaler Betrieb gewährleistet sein.
Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wäre dann entsprechend der Stator 18 mit mindestens zwei Spulen 32a, 32b ausgeführt, wobei diese in Axialrichtung versetzt zu einander oder aber auch teilweise überlappend jeweils in bifi larer Wicklung ausgeführt sein können. Es sei angemerkt, dass zwei Spulen ausreichend erscheinen, um einen bidirektionalen Betrieb zu gewährleisten. Figur 8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des erfindungsgemäßen Linearaktors 6, welcher einen aus Hartmetall oder sonstigen Materialien ausgeführten Hammerkopf 4 aufweist, der mittels eines erfindungsgemäße Linearaktors 6 zum Oberflächenhämmern in periodische Schwingungen oder diskrete Einzelschlagbewegungen versetzt wird oder in kontinuierlicher Anlage an dem zu bearbeitenden Werkstück gehalten werden kann. Der Oberflächenhammer 1 hat des Weiteren eine mechanische Schnittstelle, im vorliegenden Fall einen Hohlschaftkegel 8, über den der Oberflächenhammer 1 in eine entsprechende Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters eingesetzt werden kann, so dass der Oberflächenhammer 1 während der Bearbeitung über die NC-Achsen der Werkzeugmaschine bzw. des Roboters geführt wird. Der Läufer 24 ist derart zum Stator angeordnet, dass ein Luftspalt 66 zwischen beiden Elementen vorgesehen ist. Außerdem weist der Linearaktor 6 einen Temperatursensor sowie einen Wegmesssensor / Positionssensor 70 auf. In dieser dargestellten Ansicht ist eine (zusammengefasste) Daten- und Leistungsbuchse 72 an der Seite des Linearaktors 6 angeordnet. Ferner, sind mehrere Rückstellelemente 74, in Form von Rückstellfedern, zwischen dem Läufer 24 sowie dem Hohlschaftkegel 8 angeordnet, welche den Läufer 24 (nach einem Hubvorgang) in eine vordefinierte Ausgangsposition zurückversetzen. Hierbei sind die Rückstellelemente 74 entlang dem Umfang des Stators 18 angeordnet.
Figur 9 und Figur 10 zeigen eine isometrische Vorderseitenansicht bzw. Rückseitenansicht des erfindungsgemäßen Linearaktors 6 des Oberflächenhammers 1 , der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform. In dieser Darstellung weist der Linearaktor 6 zusätzliche (Kühlmittel-)Anschlüsse 10 auf, welche, sich gegenüberliegend, an den Seiten des Hohlschaftkegels 8 angeordnet sind. Deutlich erkennbar sind die Vielzahl an Rückstellelementen 74, hier in Form von Rückstellfedern ausgeführt, welche zwischen zwei gegenüberliegenden Ringen angeordnet und mit diesen fest verbunden sind. Die Spule 32 ist um den Stator 18 angeordnet / aufgewickelt. Die Ringe sind wiederum mit dem Läufer 24 fest verbunden. Des Weiteren, weist der Läufer 24 eine (hier transparent dargestellte) Läuferhülse 76 auf, welche in das Gehäuse 16 des Linearaktors 6 mündet. Zwei Gleitlager 20, 22 sind an den jeweiligen Enden des Läufers 24 angeordnet. Das Gleitlager 22, welches am Ende des Hohlschaftkegels 8 angeordnet ist, weist ein zusätzliches Lagerwartungselement 78 auf. Außerdem ist ein Messsystem 80 dargestellt, welches die die Auslenkungen / Positionen zumindest eines Rückstellelements 74 / Positionsänderung des Läufers 24 erfasst.
Figur 11 zeigt eine schematische Funktionsdarstellung der Regelungseinheit 82 des Linearaktors 6. Die Regelungseinheit 82 weist eine D/A-(Digital-Analog)-Eingabe und -Ausgabe 84, ein Interface 86, eine Steuerungseinheit 88, eine Leistungsstufe 90 sowie ein Netzteil 92 auf. Eine erste Kommunikations-Schnittstelle der Aktuatorregelung bildet eine serielle Schnittstelle, welche wahlweise über eine NC-Steuerung 94 oder ein HMI (Human-Maschine-Interface) 96, beispielweise ein PC oder ein Tablet, realisiert ist. Hier werden die Bearbeitungsparameter wie Schlagzeitpunkt, Intensität und/oder Frequenz bestimmt und an die Steuerungseinheit 88 übergeben. Die Regelungseinheit 82 wertet die von dem Temperatursensor 68 und dem Positionssensor 70 des Aktuators 6 erfassten Werte aus und gibt die davon abhängige elektrische Leistung 98 an den Linearaktor 6. Somit überträgt die (hier rechts dargestellte) Hardware-Schnittstelle zwischen der Regelungseinheit 82 und dem Linearaktor 6 die digitalen bzw. analogen Signale, beispielsweise Temperatur und Wegdaten sowie die elektrische Leistung.
Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, bei dem zumindest zwei kreisförmige Polschuh-Paarungen zwischen Stator und Läufer ausgebildet sind, ist erfindungsgemäß ein helixförmiges Polschuhpaar zwischen Stator und Läufer ausgebildet, dem erfindungsgemäß eine Spule mit bifilarer Wicklung zugeordnet ist.
Die vorbeschriebene Erfindung zeichnet sich grundsätzlich durch eine äußerst robuste Ausführung der Spule/Wicklung aus, so dass Stöße und Vibrationen deutlich besser als beim Stand der Technik kompensiert werden können.
Wie erwähnt, ist durch die bifilare Wicklungsausführung eine Skalierung im Hinblick auf die erzielbare Kraft oder auch den Hub einfacher als bei herkömmlichen Lösungen möglich. Auch eine Kühlung der Spule kann wesentlich leichter realisiert werden, da beispielsweise der Stator hydraulisch gekühlt und die isolierte Wicklung zwischen Stator und Läufer zusätzlich mit Luft gekühlt werden kann. Dies erlaubt einen Betrieb mit deutlich gesteigerten Stromdichten. Daraus resultiert eine weitere Steigerung der Kraftdichte und somit der Beschleunigungsfähigkeit. Die erfindungsgemäße Ausführung mit einem oder mehreren Rückstellelementen 74 ermöglicht eine kontinuierliche sowie eine diskrete Bewegung (d.h. ein Auslösen eines oder mehrerer Einzelschläge) des Hammerkopfes 4.
Die Reduktion der Induktivität, welche durch die bifilare Wicklung nochmals gesteigert wird, ermöglicht höchste Dynamik bei Bestromung der Wicklung. Die bifilare Wicklung ermöglicht des Weiteren eine weitere Steigerung der Packungsdichte und somit einer Steigerung der spezifischen Kraft des Antriebs.
Bezuqszeichenliste:
1 Oberflächenhammer
2 Schlageinsatz
4 Hammerkopf
6 Linearaktor
8 Hohlschaftkegel
10 Anschluss
12 Anschluss
14 Anschluss
16 Gehäuse
18 Stator
20 Gleitlager
22 Gleitlager
24 Läufer
26 Spulenhalteabschnitt
28 spiralförmige Nut
30 spiralförmige Nut
32 Spule
34 Nutsteg
35 Nutsteg
36 Einzeldraht
38 Isolierung
40 Spuleneintritt
42 Wendepunkt
44 Spulenaustritt
46 Läufernut
48 Läufernut
50 Läufersteg
52 Läufersteg
54 Leistungselektronik
56 Positionsmesseinheit
58 Versatz
60 Kühlmittelkanal Kühlmittelströmungspfad
Kühlmittelströmungspfad
Luftspalt
Temperatursensor
Positionssensor / Wegmesssensor
Daten- und Leistungsbuchse
Rückstellelement
Läuferabdeckung
Lagerwartungselement
Messsystem
Regelungseinheit
D/A-Eingabe / -Ausgabe
Interface
Steuerungseinheit
Leistungsstufe
Netzteil
NC-Steuerung
Human-Machine-Interface elektrische Leistung

Claims

Patentansprüche
1. Reluktanz-Linearaktor (6) mit einem axial verstellbaren Läufer (24) und einem koaxial dazu angeordneten Stator (18) und zumindest einer im Bereich zwischen Stator (18) und Läufer (24) angeordneten Spule (32), die in einer Nut (28, 30) des Stators (18) geführt ist und die von Nutstegen (34, 35) begrenzt ist, wobei am Läufer (24) ein den Nutstegen (34, 35) zugewandtes Nutprofil ausgebildet ist, dessen Nutwandungen mit den Nutstegen (34, 35) jeweils einen Versatz (58) ausbilden, und mit einer Leistungselektronik (54) zum Ansteuern der zumindest einen Spule (32) derart, dass der Läufer (24) in Abhängigkeit von der Ansteuerung aufgrund der Reluktanzkraft einen kontrollierten / regelbaren Hub durchführt, wobei das Nutprofil komplementär zu den Nutstegen (34, 35) derart ausgebildet ist, dass diese bei minimalem Versatz (58) etwa einander radial gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Stator (18) und der Läufer (24) aus einem magnetisch leitfähigen beziehungsweise weichmagnetischen Werkstoff hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktor (6) zumindest ein Rückstellelement (74) aufweist, dass so gestaltet ist, dass im Betrieb der Läufer (24) nach einer Hubbewegung in eine bestimmte vordefinierte Ausgangsposition gebracht wird.
2. Linearaktor (6) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rückstellelement (74) in Bewegungsrichtung des Läufers (24) federelastisch ausgestaltet ist und/oder eine Vielzahl von Rückstellelementen (74) über den Umfang des Stators (18) verteilt angeordnet sind.
3. Linearaktor (6) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (28, 30) und/oder das Nutprofil jeweils als Doppelhelix ausgeführt sind, wobei die Spule (32) entlang einer Helixwindung von einem Spuleneintritt (40) zu einem Wendepunkt (42) und von diesem entlang einer zweiten Helixwindung gegenläufig zu einem Spulenaustritt (44) zurückgeführt ist, so dass die zum Wendepunkt (42) und von diesen wegführenden Spulenabschnitte bifilar angeordnet sind.
4. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Läufer (24) tubular ausgeführt ist und den Stator (18) umgreift, wobei die die zumindest eine Spule (32) führenden, als Doppelhelix ausgebildeten Nuten (28, 30) an einer Außenumfangsfläche des Stators (18) und das zugeordnete, ebenfalls als Doppelhelix ausgebildete Nutprofil an einer Innenumfangsfläche des Läufers (24) ausgebildet ist.
5. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule (32) als aus einer Vielzahl von Einzeldrähten (36) bestehende Litzenleitung oder als aus einem Einzeldraht (36) mit mehreren Windungen ausgebildet ist.
6. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Spule (32), insbesondere eine diese ausbildende Litzenleitung oder Einzeldraht, isoliert ist.
7. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei mehrere Spulen (32a, 32b, 32c) zu einer mehrphasigen Struktur verschaltet sind und über die Leistungselektronik (54) individuell ansteuerbar sind, so dass der Hub des Läufers (24) gegenüber einer einphasigen Struktur vergrößert ist oder ein bidirektionaler Betrieb ermöglicht ist.
8. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer der zumindest einen Spule (32) zugeordneten Kühlung.
9. Linearaktor (6) nach Patentanspruch 8, wobei die Kühlung mittels eines Kühlmittels, beispielsweise Luft oder einer Kühlflüssigkeit erfolgt, das entlang des Luftspaltes (AR) und/oder des Stators (18) geführt ist.
10. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Steigungen und Nutbreiten der stator- und läuferseitigen Doppelhelix im Wesentlichen gleich ausgeführt sind.
11 . Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Linearaktor (6) zumindest ein Rückstellelement (74) in Form einer Rückstellfeder, bevorzugt eine Vielzahl von Rückstellelementen (74) in Form von Rückstellfedern, aufweist.
12. Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Linearaktor (6) eine Vielzahl von über den Umfang des Stators (18) verteilt angeordneten Rückstellelementen (74) in Form von Rückstellfedern aufweist, welche derart gestaltet sind, dass im Betrieb der Läufer (24) nach einer Hubbewegung in eine bestimmte vordefinierte Ausgangsposition gebracht wird.
13. Werkzeug, insbesondere zum Oberflächenhämmern, mit einem Linearaktor (6) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei am Linearaktor (6) eine Werkzeugaufnahme für einen Hammerkopf (4) vorgesehen ist und mit einer Werkzeugmaschinenschnittstelle, insbesondere einer im Werkzeugmaschinenbau üblichen Schnittstelle, beispielsweise einem Hohlschaftkegel (8) für eine HSK- Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters.
14. Ventilantrieb zur Betätigung von Servo- und/oder Wegeventilen (Hydraulik, Pneumatik), mit einem Linearaktor (6) nach einem der Patentansprüche 1 bis 12.
15. Ventilantrieb eines Verbrennungsmotors mit einem Linearaktor (6) nach einem der Patentansprüche 1 bis 12.
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