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