Reluktanz-Linearaktor und damit ausqeführte Werkzeuqe/Antriebe

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, präziser 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.

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 20 2015 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 10 2009 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. In den Druckschriften DE 10 2006 033 004 A1 und US 4 641 510 A wird der Aufbau, elektromagnetischer bzw. elektrodynamischer Linearantriebe von

Umformwerkzeugen erläutert.

Direkt-/indirekt-sonotrodengesteuerte Werkzeuge sind in den Druckschriften US 6 932 876 B1 , US 2007 024 4 595 A, US 2015 011 4 074 A und WO 2004 028 739 A1 offenbart.

All diese Linearantriebe haben den Nachteil gemeinsam, dass sie zum Einen einen relativ komplexen Aufbau aufweisen und zum Anderen eine kompakte

Ausführung der Umformwerkzeuge erschwert ist. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht bei all diesen Systemen darin, dass keine Regelung einzelner Schlagprozesse, d. h., eine frei programmierbare Bewegung der Werkzeugspitze (Hammerkopf) realisierbar ist, um gezielt homogene Randschichteigenschaften an der

Werkstückoberfläche zu erzeugen.

Neben den vorbeschriebenen Linearantrieben sind im Prinzip 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 Tubulär 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.

Aus der US 2010/0243931 A1 ist ein Linearmotorventil bekannt, das einen

Ventilsitz in inkrementeilen Schritten bewegt.

Die JP S61 - 85 059 A offenbart einen Linearpulsmotor, der ein schrittweises Verschieben auf einer stationären Schraube ermöglicht.

In der DE 30 31 273 A1 ist eine elektromagnetische Vorrichtung offenbart, wobei ein Statoraufbau und ein Rotor abwechselnd und in einer Reihenfolge

zusammensetzbar sind.

Eine elektromagnetische Stellvorrichtung ist aus der DE 29 31 685 A1 bekannt und auch die DE 30 25 445 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Verstellen eines

verstellbaren Bauteils.

Der Einsatz dieser Antrieb zum Oberflächenhämmern, bei denen sehr kurze Hübe mit hoher Beschleunigung und vergleichsweise großer Kraft erfolgen sollen, sind nur bedingt geeignet.

Aus der DE 10 2006 033 004 A1 ist eine Klopfvorrichtung bekannt, wobei der Abstand eines Nulldurchgangs einer Schlagfrequenz von einer Werkstückoberfläche durch einen Erregerstrom veränderbar ist. In der WO 2016/188 672 A1 ist ein Bremssystem offenbart, bei dem eine Pumpe über einen Reluktanz-Linearaktor angetrieben wird, bei dem nur eine Spule verwendet wird. Die Verstellung des Aktors erfolgt gegen die Kraft eines Federelementes

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen für kurze Hübe optimierten Reluktanz-Linearaktor und dafür geeignete Anwendungen zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine präzise Regelung des Hubes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Reluktanz-Linearaktor durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Lösung gehören auch Anwendungen dieses

Reluktanz-Linearaktors bei einem Umformwerkzeug oder einem Ventiltrieb oder einer Einrichtung zur schwingungsunterstützten Bearbeitung von Verbundstoffen oder monolithischen Werkstoffen.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der

Unteransprüche.

Erfindungsgemäß hat der Reluktanz-Linearaktor einen tubulär ausgebildeten Stator, an dem eine Vielzahl von zueinander axial beabstandeten Spulen in jeweils einer Ausnehmung in einer Innenmantelfläche des Stators angeordnet sind. Die

Ausnehmungen sind jeweils axial durch Radialstege begrenzt. In dem Stator ist ein Läufer axial verschiebbar gelagert, der an seinem Außenumfang ein Zahnprofil aufweist, das mit den Radialstegen jeweils einen Luftspalt ausbildet. Der Reluktanz- Linearaktor hat des Weiteren eine Leistungselektronik zum Ansteuern der Spulen, so dass der Läufer in Abhängigkeit von der Ansteuerung aufgrund einer Reluktanzkraft einen geregelten Hub durchführt. Erfindungsgemäß ist das Zahnprofil

entsprechend/komplementär zu den Radialstegen ausgebildet, wobei die Radialstege und das Zahnprofil jeweils mit zum Stator bzw. Aktor hin offenen umlaufenden Nuten ausgeführt sind, die bei minimalem Luftspalt etwa einander radial gegenüberliegend angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Profils der

Radialstege und des Zahnprofils wird der magnetische Fluss optimiert, so dass der Hub mit einer hohen Dynamik realisierbar ist. Der erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktor ist zudem ohne Permanentmagneten ausgeführt, wobei der Stator und der Läufer aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material, beispielsweise aus einer Kolbalt-Eisen-Legierung bestehen.

Der Linearaktor ist für Kurzhübe, beispielsweise 1 mm optimiert. Unter„Hub“ wird in der vorliegenden Anmeldung der Weg verstanden, entlang dem eine Antriebskraft in eine definierte Richtung erzeugbar ist. Der Läufer kann sich prinzipiell weiter als diesen Hub bewegen. Am Ende des Hubes durchfährt das System allerdings einen Totpunkt, an dem es zur Umkehrung der Wirkrichtung der nutzbaren Reluktanzkraft kommt.

Durch die geometrisch optimierte Formgebung des Läufers und des Stators kommt es zu einer Kraftdichtenmaximierung bei gleichzeitig minimaler

Gesamtinduktivität und minimaler Läufermasse. Dies wiederum erlaubt eine

hochfrequente Ansteuerung der Spulen/Wicklungen und somit minimale Zykluszeiten. Der erfindungsgemäße Linearaktor kann mit untypisch hohen Stromdichten betrieben werden, wobei dies insbesondere dann zum Tragen kommt, wenn eine intermittierende Betriebsart zugrunde gelegt wird. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktor auch in permanenter Anlage am Werkstück oder einer sonstigen zu betätigenden Einrichtung gehalten werden und zur Erzeugung einer hoch

dynamischen regelbaren Kraft verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird eine Minimierung der

Gesamtinduktivität des Systems erreicht, und so der Gradient des Stroms in den Spulen maximiert und ggf. auftretende Verlusteffekte, wie beispielsweise leistungsminimierende Eisenverluste durch geometrische und werkstofftechnische Optimierungen minimiert.

Durch die definierte Zahnform mit der vorbeschriebenen korrespondierenden Teilung und Anordnung der Zähne auf der Stator- und Läuferseite kann ein definierter Hub des Läufers erreicht werden, der beispielsweise der Axiallänge eines Zahns entspricht. Die erfindungsgemäße Geometrie maximiert die effektiv wirksame

Zahnfläche pro Längeneinheit der Stator-/Läuferkombination unter Berücksichtigung des Bauraums für die Spulen und deren thermischer Belastbarkeit. Wie vorstehend ausgeführt, erfolgt die Profilierung des Stators und des Läufers vorzugsweise derart, dass der Hub der Axiallänge eines an die Nut angrenzenden Zahn- oder Radialstegsegmentes entspricht.

Die Nuten können beispielsweise V- oder trapezförmig oder mit verrundeten Ecken ausgebildet sein.

Bei einer asymmetrischen Ausbildung der Zahngeometrie kann eine

unidirektionale Vorzugsrichtung der Kraftentfaltung vorgegeben werden. Eine derartige Asymmetrie kann beispielsweise durch unterschiedliche Anstellwinkel der

Seitenwandungen der Nut ausgebildet werden.

Der Magnetfluss lässt sich weiter optimieren, wenn die Axiallänge der Zahn- /Radialstegsegmente kleiner, vorzugsweise die Hälfte der Breite der Nut am Umfang des Läufers bzw. Stators ist.

Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn eine Tiefe der Radialstege, d. h., die Tiefe der Ausnehmung, in der die Spule angeordnet ist, etwa der Breite der Radialstege entspricht.

Die Ansteuerung des Reluktanz-Linearaktors ist besonders einfach, wenn dieser einphasig ausgeführt ist.

Eine präzise Radial- und Axialführung des Läufers ist gewährleistet, wenn dieser über eine Festkörpergelenkanordnung gelagert ist, wobei der Hub aufgrund der Reluktanzkraft in Axialrichtung entgegen einer Rückstellkraft des Festkörpergelenks erfolgt.

Zur Optimierung der Bewegungssteuerung des Läufers ist in den Reluktanz- Linearaktor ein Wegmesssystem integriert, über das die Position des Läufers erfassbar ist und an die Leistungselektronik weitergegeben werden kann. Der Hammerkopf ist vorzugsweise über ein Spannmittel z.B. eine Spannzange mit dem Linearaktor verbunden, sodass der Hammerkopf entsprechend der vorgegebenen Bearbeitungsaufgabe gewechselt werden kann.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb lässt sich beispielsweise bei einem

Werkzeug zum Oberflächenhämmern anwenden, wobei am Läufer eine mechanische Schnittstelle für einen Hammerkopf vorgesehen ist und das Umformwerkzeug des Weiteren einen Spannkegel, insbesondere einer im Werkzeugmaschinenbau üblichen Werkzeugaufnahme oder eine sonstige Schnittstelle einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters hat.

In diese Werkzeugaufnahme kann dann eine Druckluftversorgung zur Kühlung integriert sein.

Der erfindungsgemäße Reluktanz-Linearaktor lässt sich jedoch auch bei anderen Anwendungen, beispielsweise bei einem Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors und\oder zur Betätigung von Servo- und/oder Wegeventilen oder bei der

schwingungsunterstützten Bearbeitung von Verbundstoffen oder monolithischen Werkstoffen einsetzen.

Der tubuläre Stator kann als monolithisches Bauteil gefertigt sein. Zur

Verbesserung der Kühlung und/oder Minimierung der Eisen-/Wirbelstromverluste kann das monolithische Bauteil zusätzlich mit radialen Einschnitten versehen werden.

Alternativ kann der Stator auch aus einer Vielzahl von radial zueinander angeordneten Blechpaketen ausgebildet werden.

Ein Zahnprofil des Läufers und/oder Radialstege des Stators können symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise durch Zahnflanken mit unterschiedlichen Anstellwinkeln erfolgen.

Die Stromrichtung benachbarter Spulen ist gegenläufig ausgeführt.

Es zeigen: Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Umformwerkzeugs zum

Oberflächenhämmern (Oberflächenhammer);

Figur 2 einen Reluktanz-Linearaktor des Oberflächenhammers gemäß Figur 1 ;

Figur 3 eine Teildarstellung des Linearaktors gemäß Figur 2;

Figur 4 eine Vorderansicht des Linearaktors mit geteiltem Stator gemäß Figur 2;

Figur 5 eine Detaildarstellung des Linearaktors gemäß Figur 4 zur Verdeutlichung geometrischer Verhältnisse;

Figuren 6a, 6b eine Figur 4 entsprechende Darstellung des Linearaktors in einer Ausgangsposition und einer Zielposition mit sich bei einer Bestromung von Spulen einstellenden Feldlinien;

Figuren 7a, 7b eine Detaildarstellung der Feldlinien gemäß den Figuren 6a, 6b;

Figur 8 eine weiter detaillierte Darstellung, in die die bei einer Bestromung der Spulen auftretenden Axial- und Radialkräfte eingezeichnet sind;

Figur 9 eine dreidimensionale Darstellung des Reluktanz-Linearaktors mit Festlagerung;

Figur 10 einen stark schematisierten Regelkreis einer Leistungselektronik des erfindungsgemäßen Oberflächenhammers;

Figur 11 ein Diagramm, in dem der Weg des Läufers in Abhängigkeit von der Zeit in einem Versuchsaufbau dargestellt ist, anhand dessen die Systemauslegung für die unterschiedlichen Applikationen erfolgen kann; Figur 12 ein weiteres Diagramm, in der die über den Läufer in einem Versuchsaufbau maximal wirkende Reluktanzkraft über der Zeit bei gegebenem

Stromimpuls dargestellt ist und

Figuren 13, 14 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen

Linearaktors.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Umformwerkzeugs zum

Oberflächenhämmern, im Folgenden Oberflächenhammer 1 genannt, erläutert. Dieser hat einen mit einem Schlageinsatz 2 aus Flartmetall oder sonstigen Materialien ausgeführten Flammerkopf 4, der mittels eines erfindungsgemäßen 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 in Figur 1 angedeutete Leistungselektronik 10, auf deren Aufbau später eingegangen wird.

Der Oberflächenhammer 1 hat ein zylindrisches Gehäuse 12 aus nicht magnetisch leitfähigem Material, an das der Hohlschaftkegel 8 angesetzt ist. Im Inneren des Gehäuses ist der Linearaktor 6 gelagert, der gemäß der Schnittdarstellung in Figur 1 einen Stator 14 aufweist, in dem eine Vielzahl von Spulen, im vorliegenden Fall sechs Spulen 16 axial versetzt zueinander angeordnet sind. Der Stator 14 hat einen tubulären Aufbau, wobei die Spulen 16 in an einer Innenumfangsfläche 36 mündenden

Ausnehmungen aufgenommen sind. Der Stator 14 umgreift mit einem Luftspalt einen Läufer, 18, der bei Bestromung der Spulen 16 aufgrund der Reluktanzkraft einen definierten Hub durchführt, der auf den Hammerkopf 4 übertragen wird.

Der Läufer 18 ist über eine Lageranordnung mit zwei Festkörperlagern 20, 22 geführt, wobei die Lagersteifigkeit in Radialrichtung und in Axialrichtung so gewählt ist, dass die erwünschte hohe Positioniergenauigkeit des Hammerkopfs 4 gewährleistet ist. So muss beispielsweise sichergestellt sein, dass der radiale Luftspalt zwischen Stator 14 und Läufer 18 aufrechterhalten bleibt, so dass der zur Erzeugung einer

Reluktanzkraft erforderliche Magnetfeldlinienverlauf gewährleistet ist. Auch die Führung in axialer Richtung muss mit höchster Präzision erfolgen, um den Läufer 18 mit Bezug zum Werkstück führen zu können. Die Festkörperlager 20, 22 sind sowohl in

Radialrichtung als auch in Axialrichtung am Gehäuse 12 abgestützt, so dass die beim Oberflächenhämmern entstehenden Reaktionskräfte aufgenommen werden können.

Die Verstellung des Läufers 18 erfolgt gegen eine Rückstellkraft der Festkörperlager 20, 22, so dass der Hammerkopf 4 nach Durchführung eines durch die Reluktanzkraft verursachten Hubs wieder in seine Ausgangsposition zurückgestellt wird. Diese

Rückstellung muss zum einen sehr genau und zum anderen mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit erfolgen, so dass die gewünschte Oszillationsfrequenz, die im Bereich von beispielsweise 0 bis 1000 Hz liegt, gewährleistet ist.

Der Hub des Läufers 18 wird über ein Wegmesssystem 24 erfasst, das beim

dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des oberen, d. h., vom Hammerkopf 4 entfernten Festkörperlagers 22 angeordnet ist und von diesem umgriffen wird. Dieses Wegmesssystem 24 gewährleistet eine exakte Positionierung des Läufers 18 in

Abhängigkeit von den über die Leistungselektronik 10 und die Maschinensteuerung vorgegebenen Parametern. Das Wegmesssystem 24 kann mit einer integrierten Druckluftversorgung zur Wärmeabfuhr ausgeführt sein, so dass die Positioniergenauigkeit auch bei längerem Gebrauch des Oberflächenhammers 1 unabhängig von thermischen Einflüssen bleibt.

Die Stromversorgung des Linearaktors 6 erfolgt über zumindest einen

Leistungsanschluss 26. Die Signalübertragung zwischen der Leistungselektronik 10 und dem Wegmesssystem 24 erfolgt über einen Signalanschluss 28.

Die Axialbewegung des Läufers 18 wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel über das Festkörperlager 20 auf den Hammerkopf 4 übertragen. Dieser durchsetzt einen Stirnflansch 30 des Gehäuses 12. In diesem Bereich ist auch eine

Werzeugaufnahme 9 zum Spannen des Hammerkopfs 4 am Linearaktor 6 vorgesehen. Rückwärtig ist das Gehäuse 12 über den Hohlschaftkegel 8 abgeschlossen, der beispielsweise als HSK 63 in der an sich bekannten Weise ausgeführt ist, so dass diesbezügliche Erläuterungen entbehrlich sind.

Der weitere Aufbau des Linearaktors 6 wird im Folgenden anhand der Figur 2 bis 5 erläutert.

Figur 2 zeigt eine Einzeldarstellung des Linearaktors aus Figur 1. Man erkennt in dieser Darstellung deutlich den tubulären Aufbau des als Hohlzylinder ausgeführten Stators 14, der mit einem Luftspalt den Läufer 18 umgreift. Beim dargestellten

Ausführungsbeispiel ist der Stator 2 aus zwei Statorhälften 32a, 32b ausgeführt, die jeweils aus einem monolithischen Material hergestellt sind. Da der magnetische Fluss durch diese Statorhälften 32a, 32b hindurchgeht, müssen diese aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff hergestellt sein. Zur Erhöhung der Leistung wird jedoch die Verwendung von weichmagnetischen Werkstoffen, insbesondere einer Kobalt-Eisen- Legierung bevorzugt.

Der axial bewegliche Läufer18 ist aus einem magnetisierbaren Werkstoff, vorzugsweise ebenfalls aus einer Kolbalt-Eisen-Legierung ausgebildet. Die

Verwendung einer derartigen Legierung für den Stator 14 und den Läufer 18 hat den Vorteil, dass diese Legierungen eine hohe Permeabilität sowie eine geringe Koerzitivfeldstärke und Remanenz bei gleichzeitig höchster Sättigungsinduktion aufweisen.

Zur Verbesserung der Kühlwirkung und zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten sind in den Außenumfang der Statorhälften 32a, 32b Radialeinschnitte 34 ausgebildet, die jedoch im Abstand zu einer Innenumfangsfläche 36 des Stators 14 enden. Ebenso kann der Läufer 18 in der gleichen Art und Weise aufgebaut werden.

Die beiden Statorhälften 32a, 32b sind über geeignete Verbindungsmittel miteinander verbunden. Selbstverständlich ist auch eine einstückige Ausbildung des Stators 14 möglich.

Figur 3 zeigt den Linearaktor 6 in einem Längsschnitt, der durch die Trennebene der beiden Statorhälften 32a, 32b hindurchgeht, wobei der Läufer 18 nicht geschnitten ist.

In dieser Darstellung gut sichtbar sind die vorgenannten sechs Spulen 16, die in Axialrichtung beabstandet in dem Stator 14 zur Innenumfangsfläche 36 hinweisend aufgenommen sind. Die Radialeinschnitte 34 erstrecken sich bis in den Bereich der Spulen 16, so dass diese während des Betriebs, beispielsweise durch die

Druckluftversorgung gekühlt werden und des Weiteren Wirbelstromverluste minimiert sind.

Die Endabschnitte des Läufers 18 sind gemäß der Darstellung in Figur 3 radial zurückgesetzt, so dass Nabenabschnitte 38, 40 ausgebildet werden, die passgenau mit den Festkörperlagern 20, 22 verbunden sind, so dass der Läufer 18 über diese

Festkörperlager 20, 22 exakt in Radial- und Axialrichtung geführt ist.

Gemäß der Darstellung in Figur 3 sind die Innenumfangsfläche des Stators 14 sowie die in Wirkverbindung mit dem Stator 14 stehende Umfangsfläche des Läufers 18 mit einer Profilierung ausgeführt, über die der Magnetfeldlinienverlauf optimiert ist. Dies wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Figur 4 zeigt eine Vorderansicht der Anordnung gemäß Figur 3, wobei die

Spulen/Wicklungen 16 bestromt dargestellt sind. Diese Spulen 16 können, parallel oder seriell miteinander verschaltet sein, wobei dies in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Betriebsspannung erfolgt. Erfindungsgemäß werden die Spulen einphasig mit Gleichstrom beaufschlagt. Wie in Figur 4 dargestellt, ist die Stromrichtung

benachbarter Spulen 16 gegenläufig.

Die Spulen 16 sind jeweils in einer Ausnehmung 42 des Stators 14 aufgenommen. Diese Ausnehmungen 42 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel als umlaufende Nuten ausgeführt, in die die Spulen 16 eingesetzt werden und dann mit dem jeweiligen Leistungsanschluss 26 verbunden werden. Die Ausnehmungen 42 sind jeweils durch Radialstege 44, 46 begrenzt, wobei bei den innenliegenden Spulen 16 ein Radialsteg 46 jeweils zwei Spulen zugordnet ist. Bei den beiden in Axialrichtung außenliegenden Spulen 16a, 16b ist entsprechend dann nur noch stirnseitig ein„halber“ Radialsteg 45a, 45b vorgesehen.

Zur Optimierung der magnetischen Flussdichte an der Stator-Innenumfangsfläche 36 sind die durch die Radialstege gebildeten Zähne profiliert, wobei bei dem

erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel diese Profilierung durch jeweils eine Ringnut 48 ausgebildet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Ringnut 48 V- förmig ausgebildet. Zum einfacheren Verständnis ist dieses Zahnprofil in Figur 5 vergrößert dargestellt, wobei einige wesentliche Geometrieparameter eingezeichnet sind.

Gemäß dieser Darstellung sind die Ringnuten 48 jeweils mittig in den jeweiligen

Radialstegen 44, 46 ausgebildet. Die axial außenliegenden Radialstege 45a, 45b sind dann jeweils entsprechend nur mit einer Schrägfläche (entsprechend einer Seitenfläche der Ringnut) ausgeführt. Die Seitenflächen 50a, 50b der Ringnuten 48 schließen mit der Florizontalen in Figur 5 jeweils den gleichen Winkel ein, so dass ein symmetrisches Zahnprofil entsteht. Die Tiefe und der Nutwinkel sind so gewählt, dass die

verbleibenden Radialstegsegmente 52, 54 eine Axiallänge Zh aufweisen, die der Hälfte der Öffnungsweite der Ringnut 48 entspricht. Diese Öffnungsweite entspricht dann dem Maß 2zh. Dementsprechend beträgt die gesamte Axiallänge eines Radialstegs dann gemäß Figur 5 4zh. Die Axiallänge der Ausnehmung 42 beträgt ebenfalls 4zh, so dass sich eine symmetrische Teilung der Ausnehmungen 42 und der benachbarten

Radialstege 44, 46 ergibt. Wie in Figur 5 des Weiteren eingezeichnet, hat die

Radialtiefe der Ausnehmungen 42 (Rss - Rsi) ebenfalls das Maß 4zh.

Gemäß den Figuren 4 und 5 ist die Zahngeometrie des Läufers 18 kompatibel oder komplementär zu diesen Vorgaben ausgeführt. Bei dem beschriebenen

Ausführungsbeispiel ist die Zahngeometrie des Läufers 18 asymmetrisch ausgeführt. Das Zahnprofil des Läufer 18 hat gemäß den Darstellungen in den Figuren 4 und 5 eine Vielzahl von Zähnen, von denen in der Darstellung gemäß Figur 5 beispielhaft zwei mit den Bezugszeichen 56, 58 versehen sind. Die Breite dieser Zähne 56, 58 ist wiederum mit dem Maß 4zh ausgeführt, d. h., die Breite der Zähne 56, 58 entspricht der Breite der Radialstege 44, 46.

Zahnflanken 57, 59 der Zähne 56, 58 sind zur Horizontalen unterschiedlich angestellt, wobei der Anstellwinkel der rückwärtigen Zahnflanke 57 größer ist, als derjenigen der hammerkopfseitigen Zahnflanke 59.

Jeder der Zähne 56, 58 ist mit einer etwa trapezförmigen Umfangsnut 60 ausgeführt, deren sich in Axialrichtung erstreckende Öffnungsweite dann wiederum dem Maß 2zh entspricht. Bei dieser Öffnungsweite der etwa trapezförmigen Umfangsnut 60 verbleiben wiederum beidseitig Zahnsegmente 64, 66 deren Axiallänge dem Maß Zh entspricht. Die Seitenwandungen 62a, 62b haben zur Horizontalen in Figur 5

unterschiedliche Anstellwinkel, so dass sich ein asymmetrisches Nutprofil ergibt. Dabei sind die zum Hammerkopf 4 weisenden, in Figur 5 untenliegenden Seitenwandungen 62b zur Horizontalen etwas steiler angestellt als die andere Seitenwandung 62a. Durch diese asymmetrische Zahngeometrie wird eine unidirektionale Vorzugsrichtung im Hinblick auf die Entfaltung der Reluktanzkraft bewirkt. Selbstverständlich ist diese Zahngeometrie dann beim Einbau zu berücksichtigen, so dass stets darauf zu achten ist, dass die Seitenwandungen 62b jeweils in Ausfahrrichtung des Läufers 18 bzw. zum Hammerkopf 4 hinweisend montiert sind. Gemäß der Darstellung in Figur 5 entspricht der Abstand der Zähne 56, 58 wiederum dem Maß 4zh, so dass auch die Verzahnung des Läufers 18 die gleiche Teilung wie diejenige des Stators 14 aufweist. Auch die sonstigen, in Figur 5

eingezeichneten Abmessungen RSz, RLz, RLi, RLA und RSA sind derart aufeinander abgestimmt, dass durch die entstehende Geometrie die effektiv wirksame Zahnfläche pro Längeneinheit der Läufer-/Statorkombination unter Berücksichtigung des Bauraums der notwendigen Wicklungen/Spulen 16 und deren thermischer Belastbarkeit optimiert ist.

Wie vorstehend ausgeführt, entsteht zwischen dem stehenden Stator 14 und dem axial beweglichen Läufer 18 ein definierter Luftspalt, der in der Darstellung gemäß Figur 5 mit einer gepunkteten Struktur herausgehoben ist.

In den Figuren 4 und 5 ist der Linearaktor 6 in seiner Ausgangsposition dargestellt, die der Läufer 18 bei spannungslosem Festkörperlager 20, 22 mit Bezug zum Stator 14 einnimmt. D. h., die Radialstegsegmente 52, 54 sind mit Bezug zu den jeweils benachbarten Zahnsegmenten 64, 66 axial versetzt, (siehe insbesondere Figur 5).

In der Ausgangsposition ist somit der Läufer 18 mit Bezug zum Stator 14 in axialer Richtung um eine Zahnhöhe, die einer Axiallänge eines Radialstegsegments 52, 54 bzw. eines Zahnsegments 64, 66 entspricht, versetzt. Dieser Versatz, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Maß Zh hat, entspricht dem maximalen Hub des erfindungsgemäßen Linearaktors 6, der beispielsweise 1 mm betragen kann.

Wird nun gemäß Figur 6a eine Gleichspannung an die Spulen 16 angelegt, so führt dies zum Aufbau des magnetischen Flusses und des Stromes. Zu Beginn der Ansteuerung ist gemäß der Darstellung in Figur 6a der magnetische Widerstand maximal - dieser Zustand ist in der Darstellung gemäß Figur 7a nochmals vergrößert dargestellt. Da das System bei der Bestromung der Spulen 16 immer nach einem minimalen magnetischen Widerstand (Reluktanz) strebt und in der dargestellten

Ausgangsposition der größte magnetische Widerstand wirkt, entsteht eine

Reluktanzkraft, die den Läufer 18 in Richtung des minimalen magnetischen

Widerstands beaufschlagt, der sich bei einer Überdeckung der Radialzähne einstellt. Es entsteht eine in Figur 8 dargestellte axial wirkende Vortriebskraft FR, z (Reluktanzkraft in axialer Richtung) welche aufgrund der reluktanzoptimierten Zahngeometrie

vergleichsweise groß ist. Wie in Figur 8 eingezeichnet, entsteht des Weiteren noch eine Radialkraft FR,R, . den Läufer in Radialrichtung beaufschlagt - diese Radialkräfte werden jedoch von der Festkörperlagerung kompensiert.

Die Festkörperlager 20, 22 sind so ausgelegt, dass der Läufer 18 durch die

Reluktanzkraft FR,Z bei hoher Positioniergenauigkeit entgegen der Rückstellkraft der Festkörperlager 20, 22 verstellt werden kann. Diese Verstellung des Läufers 18 erfolgt gemäß den Darstellungen in den Figuren 6b und 7b solange, bis die Relativposition erreicht ist, in der der minimale magnetische Widerstand bei gleichzeitig maximaler Gesamtinduktivität vorliegt.

Dieser Zustand wird in der in den Figuren 6b, 7b dargestellten Zielposition erreicht, in der die Zahnsegmente 64, 66 mit Bezug zu den entsprechenden

Radialstegsegmenten 52, 54 ausgerichtet sind, so dass eine maximale Überlappung dieser Bereiche entsteht - es stellt sich entsprechend die maximale Feldliniendichte ein, wobei die in Radialrichtung wirkenden Kräfte FR,R maximal und die in Axialrichtung wirkenden Kräfte minimal sind. Dabei bleibt der radiale Luftspalt AR während des gesamten Bewegungsablaufs konstant. Der effektive Luftspalt, d. h., der Grad der Überdeckung, die Reluktanz, die Induktivität und der magnetische Fluss ändern sich jedoch mit axialer Bewegung des Läufers 18.

Die zu Beginn wirkende Reluktanzkraft ist somit von der vektoriellen Ausrichtung der Flusslinien und somit von der Zahngeometrie, dem Fluss sowie der Relativposition beider Komponenten (Stator 14, Läufer 18) abhängig.

Aufgrund der während dieser Bewegung erheblichen Radial- und Axialkräfte ist entsprechend eine hinreichend steife Lagerung erforderlich, die bei dem

erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch die beiden Festkörperlager 20, 22 gewährleistet ist. In Figur 9 ist der eigentliche Linearaktor 6 mit den beiden

Festkörperlagern 20, 22 dargestellt. Wie erläutert, sind diese am Gehäuse 12

abgestützt, wobei die Radialabstützung jeweils über drei Radialstützen 70, 72, 74 erfolgt, die in Radialrichtung sehr steif ausgeführt sind, so dass der radiale Luftspalt während der vorbeschriebenen Verstellung des Läufer 8 beibehalten werden kann. In Axialrichtung (vertikal in Figur 9) sind die beiden Festkörperlager 20, 22 so ausgebildet, dass sie eine Axialverstellung des Läufer 18 ermöglichen. Diese Axialverstellbarkeit wird beispielsweise durch eine Lamellen-/Balkenstruktur 76 ermöglicht, die in

Radialrichtung sehr steif ist und die Axialbeweglichkeit erlaubt. Diese Steifigkeit der Lamellen-/Balkenstruktur 76 in Radialrichtung wird durch geeignete Wahl des

Widerstandsmoments gegen Biegung erzielt.

In der Ausgangsposition sind die beiden Festkörperlager 20, 22 spannungsfrei. Wird nun der Läufer 18 in Axialrichtung verstellt, so wirkt die Reluktanzkraft auch auf die Lagerung. Diese Kraft bewirkt in Axialrichtung eine elastische Verformung der

Festkörperlager 20, 22, so dass die Verstellung des Läufers 18 gegen die dabei entstehende axiale Rückstellkraft des Festkörperlagers 20, 22 erfolgt. Wird nun die Spule bei Erreichen des vorgespannten Hubs stromlos geschaltet, so erfolgt die

Rückstellung des Läufers 18 über die Lagerung.

Im Falle des Oberflächenhämmerns findet beim Auftreffen des Hammerkopfs 4 auf die Werkstückoberfläche (in der Regel ein metallisches Werkstück) eine elasto- plastische Umformung an der Werkstückoberfläche statt. Die elastische Komponente wirkt dann zusätzlich zur Rückstellkraft der Festkörperlagerung auf den Läufer 18.

Grundsätzlich kann jedoch auch die Rückstellung des Linearaktors 6 in seine Ausgangsposition über sonstige externe Kraftkomponenten erfolgen, die beispielsweise mechanisch, elektromagnetisch, magnetisch, pneumatisch, piezoelektrisch etc.

aufgebracht werden. Sowohl der Hub als auch die Rückstellbewegung können über die Leistungselektronik 10 gezielt geregelt werden. Für den Fall, dass eine deterministische Rückstellung erfolgen soll, kann diese auch über einen entgegenwirkenden

zusätzlichen Antrieb erfolgen.

Der Grundaufbau der Leistungselektronik 10 ist in Figur 10 dargestellt. In dieser Darstellung angedeutet ist der Oberflächenhammer 1 mit dem integrierten

Wegmesssystem 24. Wie erläutert, kommt es aufgrund der geometrisch optimierten Formgebung der Antriebskomponenten und der unüblichen einphasigen Ausführung zu einer

Kraftdichtenmaximierung, was wiederum eine hochfrequente Ansteuerung der Spulen 16 und entsprechend minimale Zykluszeiten des Systems ermöglicht. Die damit einhergehenden benötigten hohen Stromstärken bei gleichzeitig hoher Schaltfrequenz können mit herkömmlichen Servoverstärkern nicht oder nur mit größten Schwierigkeiten erzeugt werden. Dementsprechend ist die in Figur 10 dargestellte

Leistungselektronik 10 in Hinblick auf die Ansteuerung des erfindungsgemäßen

Linearaktors 6 optimiert. Zum Aufbau der Leistungselektronik 10 kann teilweise auf Standardmodule, wie beispielsweise einen digitalen Signalprozessor zur Realisierung der notwendigen Rechenoperationen, sensorische Komponenten zur Positions-und Strommessung sowie DC-DC-Wandler zur Spannungsversorgung zurückgegriffen werden. Der eingesetzte digitale Signalprozessor verarbeitet als integrierter

Logikbaustein die ein-und ausgehenden Signale und steuert die Treiber der

Leistungselektronik 10. Die zugehörige Software für den digitalen Signalprozessor beinhaltet die komplette Schaltungslogik der Aktoreinheit und muss situationsgerecht Schaltinformationen an eine Treiberstufe senden. Die Leistungselektronik 10, welche in diesem Beispiel für den Anwendungsfall Oberflächenhämmern ausgelegt ist, kann Spitzenströme bis zu 1 000 A bei Schaltfrequenzen im Bereich von 100 kHz

bereitstellen. Die Maximalspannung beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 60 VDC. Alle Messwerte und Sollwertvorgaben werden an den, auf einem digitalen Signalprozessorbasierenden Achsregler 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. Eine Voraussetzung hierbei ist, dass die benötigte elektrische Energie über einen entsprechend dimensionierten Kondensator zur

Verfügung gestellt wird. 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 über einen Strom-Sensor, beispielsweise einem Hallsensor, gemessen. Diese Messung ist für die Dosierung der gewünschten Schlagenergie erforderlich.

Das vorbeschriebene Wegmesssystem gibt ein Signal an die Leistungselektronik 10 weiter, welche hieraus die exakte Position und Geschwindigkeit des Läufers 18 ermittelt. Das Bereitstellen einer niederimpendanten Stromversorgung kann

beispielsweise durch einen Kondensator erfolgen, welche mittels eines externen

Netzteils geladen wird.

Die Leistungselektronik 10 ermöglicht des Weiteren eine Kommunikation mit einer Werkzeugmaschinen-/Robotersteuerung, sodass der Oberflächenhammer 1 entlang der gewünschten Bewegungsbahn zur Bearbeitung des Werkstücks geführt werden kann.

Die Funktion der Leistungselektronik 10 und des Oberflächenhammers 1 sei nochmals anhand der Figuren 11 und 12 verdeutlicht. Figur 11 zeigt ein Diagramm, in dem die Position des Läufers 18, ab Bestromung der Spulen 16, über der Zeit in einem Versuchsaufbau dargestellt ist. In Figur 11 dargestellt sind zwei Kurvenverläufe, die sich bei unterschiedlichen Stromniveaus in den Spulen 16 einstellt. Bei maximalen Strömen lässt sich entsprechend eine sehr hohe Endgeschwindigkeit des Läufers 18 und des Hammerkopfs 4 durch die hierbei erzielbare maximale Beschleunigung erreichen. Bei Verringerung der Spulenströme werden entsprechend die Bewegungsgeschwindigkeit des Hammerkopfs 4 und somit des Läufers 18 und dessen Beschleunigung verringert - dementsprechend kann sowohl die Frequenz als auch die Geschwindigkeit und somit der Impuls des Hammerkopfs exakt geregelt werden.

Figur 12 zeigt einen typischen Kraftverlauf, der sich bei einer derartigen

Ansteuerung des des Linearaktors 6 in einem Versuchsaufbau einstellt. Zur Zeit null befindet sich der Hammerkopf 4 oder genauer gesagt der Läufer 18 in seiner

Ausgangsposition. Bei einer Bestromung der Spulen 16 erfährt der Läufer 18 eine Reluktanzkraft, die in diesem Versuchsaufbau nach einer Zeit von etwa 307 ps einen maximalen Wert von 700 N erreicht. Dieser Kraftaufbau lässt sich über die

Leistungselektronik weitestgehend beeinflussen, sodass die Oberflächenbearbeitung sehr präzise erfolgen kann. Bei Stromlosschalten der Spulen 16 bewegt sich dann der Läufer 18 aufgrund der Rückstellkraft der Festkörperlageranordnung und der elastischen Komponente beim Oberflächenhämmern relativ schnell wieder in seiner Ausgangsposition zurück. Aus dem dargestellten Kraft-Zeit Diagramm ist sofort ableitbar, dass sich ein Oberflächenhämmern mit sehr hoher Frequenz und

entsprechender hoher Maximalkraft bei sehr kompakten Aufbau eines

Oberflächenhammers realisieren lässt - derartige Parameter lassen sich mit

herkömmlichen Lösungen nicht realisieren.

In Figur 13 ist eine Variante des vorbeschriebenen Linearaktors 6 gezeigt, bei dem der Stator 14 oder genauer gesagt dessen Statorhälften 32a, 32b aus einem

monolithischen Bauteil ohne die Radialschlitze ausgeführt sind.

Figur 14 zeigt eine Variante, bei der der Stator 14 aus einer Vielzahl von in Radialrichtung angeordneten Statorblechen 80 ausgebildet ist, die gemeinsam den tubulären Stator 14 ausbilden.

Im Übrigen entsprechen die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 13 und 14 dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, sodass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.

Offenbart ist ein Reluktanz-Linearaktor und ein mit einem derartigen Reluktanz- Linearaktor ausgeführtes Werkzeug. Bei dem Linearaktor sind ein Stator und ein Läufer mit einer Profilierung ausgebildet, die in Hinblick auf die reluktanzbasierte

Kraftentfaltung optimiert ist. Bezuqszeichen:

1 Oberflächenhammer

2 Hartmetalleinsatz 4 Hammerkopf

6 Reluktanz-Linearaktor

8 Hohlschaftkegel (HSK)

9 Werkzeugaufnahme

10 Leistungselektronik 12 Gehäuse

14 Stator

16 Spule

18 Läufer

20 Festkörperlager 22 Festkörperlager 24 Wegmesssystem 26 Leistungsanschluss 28 Signalanschluss 30 Stirnflansch

32 Statorhälfte

34 Radialeinschnitt 36 Innenumfangsfläche 38 Nabenabschnitt 40 Nabenabschnitt 42 Ausnehmung

44 Radialsteg

46 Radialsteg

48 Ringnut

50 Seitenfläche

52 Radialstegsegment 54 Radialstegsegment

56 Zahn

57 Zahnflanke Zahn

Zahnflanke

Umfangsnut

Seitenwandung

Zahnsegment

Zahnsegment

Radialstrebe

Radialstrebe

Radialstrebe

Lamellenstruktur

Statorblech