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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch zu betreibenden
Linearaktor in einem Elektro-Schlagwerkzeug mit einem Läufer und
einem Ständer,
wobei der Läufer
auf ein Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges einzuwirken eingerichtet ist.
Die Anwendungsgebiete derartiger Elektro-Schlaghämmer sind zum Beispiel Hoch-
und Tiefbau, Anlagenbau, Betonwerke, Kunststeinbetriebe, Gießereien,
Installationsfirmen, die Bearbeitung von Natur- und Kunststein sowie jeder Art von
Mauerwerk und Beton, das Stemmen, Meißeln, Aufbrechen, Graben, Stocken,
Klopfen, Stampfen und Entgraten, das Aufbrechen von Beton und Asphalt
sowie gerölldurchsetzten
Erdreich, das Abbrechen in Beton, Mauerwerk und anderen Baustoffen,
das Aufreißen von
Straßen
und Beton, Asphalt, Teer sowie Holz- und Steinplaster, das Abstechen
von Ton, Lehm, Torf sowie Salzen, das Zerkleinern festgefahrener
oder gestampfter Böden,
oder das Einrammen von Pfählen
und Erdungstäben.
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Aus
der betrieblichen Paxis sind Aufbruchhämmer bekannt, bei denen nach
Betätigung
eines Handschalthebels ein Wechselstrom-Universalmotor durch ein
Getriebe einen Kurbeltrieb antreibt. Die daraus resultierende rotierende
Bewegung eines Kurbeltriebzapfens des Kurbeltriebes wird mit Hilfe eines
Pleuels und einem Führungskolben
zur geradlinigen Bewegung umgewandelt und durch ein Luftpolster
an einen Schlagkolben weitergegeben. Der Schlagkolben schlägt dann
direkt auf ein an dem Aufbruchhammer angebrachtes, vom Einsatzzweck
abhängiges
Werkzeug (Spitzmeißel,
Sternprofilmeissel, Flachmeißel,
Keilmeißel,
Breitmeißel,
Spaten, Asphaltschneider, Stampfeinsatz, Stampfstößel, Rammhaube
zum Rammen von Pfählen,
oder Treibdorn). Eine eingebaute Elektronik-Regelung sorgt für geringen
Einschaltstrom und eine konstante Drehzahl des Antriebsmotors.
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Aus
der
DE 10259566 A1 ist
eine schlagende Elektro-Handwerkzeugmaschine bekannt, bei der längs einer
Schlagachse durch einen Elektromotor ein Werkzeug geschlagen wird.
Dabei hat der Elektromotor eine quer zur Schlagachse angeordnete
Rotorwelle mit einem Rotorblechpaket und einem Motorritzel, welches
eine Schlagwerksbaugruppe mit einem Exzenter über ein Schlagwerksgetriebe
antreibt. Das Rotorblechpaket ist bezüglich der Schlagachse vollständig diametral
zum Schlagwerksgetriebe angeordnet.
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Der Erfindung zugrundeliegendes
Problem
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Die
für viele
Anwendungsgebiete, zum Beispiel Abbau- und Abbrucharbeiten von Beton,
Mauerwerk und Stein, aber auch bei mittleren und schweren Wanddurchbrüchen, Wandabbrüchen und
Nacharbeiten, bei der Bausanierung und im Sanitärbereich, sowie für Abbrucharbeiten
am Boden und Durchbrüche
am Boden erforderliche Schlagleistung, Einzelschlagenergie und Schlagzahl
kann bei relativ niedrigem Gewicht des Elektro-Schlaghammers nur schwer
erreicht werden. Außerdem
benötigen
bekannte Anordnungen viel Bauraum.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Zur
Behebung dieser Nachteile lehrt die Erfindung einen elektrisch zu
betreibenden Linearaktor in einem Elektro-Schlagwerkzeug, der durch
die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
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Aufbau, Weiterbildungen
und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
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Erfindungsgemäß hat der
Linearaktor in dem Elektro-Schlagwerkzeug einen Läufer und
einen Ständer,
wobei der Läufer
wenigstens einen Stapel übereinander
angeordneter, dauermagnetischer Stäbe aufweist. Der Ständer ist
zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Material gebildet
und weist wenigstens ein Zahnpaar mit einander gegenüberstehenden
Zähnen
auf, von denen jedes Zahnpaar einen Stapel zwischen sich unter Bildung
eines jeweiligen Luftspaltes aufnimmt. Der Ständer weist wenigstens zwei
magnetisch leitende innere Bereiche auf, die in der Bewegungsrichtung
des Läufers voneinander
in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind und jeweils zumindest
teilweise von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung umgeben
sind, deren Mittellängsachse
etwa quer zu der Bewegungsrichtung des Läufers orientiert ist. In seiner
einfachsten Ausgestaltung hat der Läufer einen Stapel übereinander
angeordneter, dauermagnetischer Stäbe. Seitlich daneben sind auf
einer Seite des Läufers
die Spulenanordnung des Ständers
sowie die von den Spulenanordnungen umgebenen wenigstens zwei magnetisch
leitenden inneren Bereiche angeordnet. Um ein Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges
zu betätigen,
weist der Läufer ein
Antriebsglied auf, das über
eine lose Kopplung mit dem Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges zusammenwirkt,
um einen mechanischen Impuls auf dieses zu übertragen.
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Dabei
hat die Erfindung erkannt, dass bei einer solchen Anordnung des
Linearaktors die beiden Spulenanordnungen so betrieben werden können, dass
der magnetische Fluss durch den einen der beiden magnetisch leitenden
inneren Bereiche zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen gegengleich
zum magnetischen Fluss durch den anderen magnetisch leitenden inneren
Bereich ist. Somit bildet die Gesamtanordnung aus den beiden Spulenanordnungen
mit der zugehörigen
Ständeranordnung
im Zusammenspiel mit den dauermagnetischen Läuferstäben einen in sich geschlossenen
Magnetkreis. Mit anderen Worten kann bei der Erfindung der von der
einen Spulenanordnung in die eine Richtung induzierte magnetische
Fluss von der anderen Spulenanordnung zur gleichen Zeit in die andere
Richtung induziert werden, so dass sich der Kreis schließt.
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Erfindungsgemäß kann der
Läufer
zwei oder mehr voneinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnete
Stapel dauermagnetischer Stäbe
aufweisen und die magnetisch leitenden inneren Bereiche des Ständers können zwischen
den Stapeln des Läufers
angeordnet sein.
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Ein
weiteres der Erfindung zugrunde liegendes Konzept besteht darin,
den die Ankerdurchflutung bewirkenden Teil des Ständers, nämlich den Spulenbereich
mit der Ständerspulenanordnung räumlich aus
dem die Kraft des Linearaktors bildenden Teil, nämlich dem Zahnbereich des Ständers "herauszutrennen". Damit kann im Vergleich
zu herkömmlichen
Linearmotoren, bei denen die Ständerspulen
jeweils zwischen zwei Zähnen
des Ständers angeordnet
sind, eine erheblich höhere
Ankerdurchflutung erreicht werden. Dies liegt daran, dass die Spule
durch die erfindungsgemäße Gestaltung
erheblich weniger räumliche
Einschränkungen
hat und so auf minimale (ohmsche) Verluste – und damit einhergehende maximale
Magnetfeldinduktion – optimiert
werden kann. Die Anordnung der Ständerspulenanordnung, deren
Mittellängsachse
quer zur Bewegungsrichtung des Läufers
orientiert ist oder mit anderen Worten im Wesentlichen mit der Mittellängsachse
zweier einander gegenüberstehender
Zähne eines
Zahnpaares fluchtet, ist magnetisch besonders effizient, da der
durch eine so orientierte Spule induziert magnetische Fluss durch
die zu beiden Stirnseiten der Spule befindlichen Zahnpaare gleichermaßen fließt. Damit
wird in beiden Stapeln der dauermagnetischen Stäbe eine übereinstimmende Kraft erzeugt. Dies
vermeidet ohne weitere besondere Maßnahmen einen Schräglauf des
Läufers.
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Die
Erfindung sieht weiterhin vor, dass die hohlzylindrische Spulenanordnung
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gesehen längs ihrer Mittellängsachse
M hat. Damit umschließt
eine in der Außenkontur
im Wesentlichen rechteckige Spule mit einer ebenfalls im Wesentlichen
rechteckigen Ausnehmung die jeweiligen magnetisch leitenden inneren
Bereiche des Ständers.
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Durch
die Abmessungen der dauermagnetischen Stäbe in der Bewegungsrichtung
des Läufers bzw.
die Abmessungen eines Zahns des Ständers in der Bewegungsrichtung
des Läufers
ist eine Polteilung definiert, die kleiner ist als die Abmessung
der Ständerspule
in deren Längsrichtung.
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Gleichermaßen werden
die Kraft bzw. Bewegung hervorrufenden Läufermagnetpol/Ständerzahn-Anordnungen
konzentriert, so dass diese nicht durch Ständerspulenanordnungen unterbrochen sind.
Dies erlaubt eine sehr kleine Polteilung, welche wiederum eine hohe
Kraftdichte bewirkt. Außerdem sind
mit der erfindungsgemäßen Anordnung
Teilhübe des
Läufers
möglich.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Linearaktors besteht darin,
dass praktisch nur die magnetisch wirksamen Komponenten (die Dauermagnete)
zur trägen
Masse des Läufers
beitragen, während
alle anderen Teile des Aktors (Spulen, magnetischer Rückschluss,
etc.) dem Ständer
zugeordnet sind. Damit kann ein besonders hohes Verhältnis von
durch den Aktor ausgeübter
Kraft zu träger
Masse erzielt werden.
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Durch
die sehr einfach gestaltbare (einphasige und hohlzylindrische, zum
Beispiel im Querschnitt rechteckige) Anordnung der Ständerspulenanordungen
ist es möglich,
den Einfluss der auf die Spule wirkenden Rüttelkräfte gering zu halten, so dass
Vibrationen der Spule oder Reibung der Spule an der Wandung der
Ständerspulenkammer
gering sind. Damit ist es möglich,
mit minimalem Isolationsmaterial bzw. Auskleidungsmaterial der Ständerspulenkammer auszukommen.
Auch dies trägt
zur Kompaktheit und Zuverlässigkeit
der Gesamtanordnung bei. Außerdem
bewirkt der einfache Aufbau eine hohe Leistungsdichte auch bei kleinen
Linearaktoren, da der erzielbare Füllfaktor der Ständerspulenkammer (Spulenvolumen
in der Ständerspulenkammer
bezogen auf das Gesamtvolumen der Ständerspulenkammer) hoch ist.
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Jeder
Zahn kann erfindungsgemäß in der Bewegungsrichtung
des Läufers
eine Abmessung aufweisen, die im wesentlichen mit der Abmessung eines
dauermagnetischen Stabes in der Bewegungsrichtung des Läufers übereinstimmt,
so dass in einer vorbestimmten Stellung des Läufers wenigstens ein Zahnpaar
des Ständers
mit jeweils einem dauermagnetischen Stab fluchtet.
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Vorzugsweise
sind in der Bewegungsrichtung des Läufers sind benachbarte Zahnpaare
des Ständers
relativ zu der Abmessung der dauermagnetischen Stäbe in der
Bewegungsrichtung des Läufers so
bemessen, dass, zwischen zwei dauermagnetischen Stäben, die
mit zwei einander benachbarten Zahnpaaren des Ständers fluchten, wenigstens
ein weiterer der dauermagnetischen Stäbe angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß können die
magnetisch leitenden inneren Bereiche an ihren, dem Läufer zugewandten
Ende wenigstens einen der Zähne
aufweisen. Im Fall von einem Läufer
mit zwei oder mehreren Stapeln haben die zwischen den beiden Stapeln
befindlichen magnetisch leitenden inneren Bereiche des Ständers an
ihren, den Stapeln des Läufers
zugewandten Enden die Zähne.
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Weiterhin
kann der Ständer
wenigstens einen außerhalb
des Stapels des Läufers
liegenden magnetisch leitenden äußeren Bereich
aufweisen, der an seinen, dem Stapel des Läufers zugewandten Ende wenigstens
einen der Zähne
aufweist.
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Im
Fall von einem Läufer
mit zwei Stapeln kann der Ständer
auch zwei außerhalb
der beiden Stapel des Läufers
liegende magnetisch leitende äußere Bereiche
aufweisen, die an ihren, den Stapeln zugewandten Enden die Zähne aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist der
außen
liegende Bereich des Ständers
zumindest in einem Teilabschnitt im Querschnitt im Wesentlichen
kammförmig
gestaltet. Dabei bilden die Zähne
des Kamms die äußeren (außenliegenden)
Zähne der
Zahnpaare.
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Benachbarte
Stäbe eines
Stapels haben erfindungsgemäß eine abwechselnde
magnetische Orientierung, wobei die Längsachse dieser Orientierung
im Wesentlichen mit der Mittellängsachse
zweier einander gegenüberstehender
Zähne eines
Zahnpaares fluchtet.
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Erfindungsgemäß kann die
Mittellängsachse der
Spulenanordnung etwa quer zur Bewegungsrichtung des Läufers orientiert
sein. Gleichermaßen
kann erfindungsgemäß die Mittellängsachse
der Spulenanordnung etwa mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender
Zähne eines
Zahnpaares fluchten oder zumindest abschnittsweise im Wesentlichen
parallel zu ihr orientiert sein. Dies erlaubt eine abgekröpfte Gestaltung
der inneren Bereiche des Ständers,
zum Beispiel um entsprechenden Montageraum für die Spulenanordnungen zu
erhalten.
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Der
vorbestimmte Abstand zwischen den zwei magnetisch leitenden inneren
Bereichen kann in Übereinstimmung
mit der Erfindung so bemessen sein, dass er im Wesentlichen mit
der Abmessung einer geraden Anzahl von dauermagnetischen Stäben der
beiden Stapel in der Bewegungsrichtung des Läufers übereinstimmt.
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Jeweils
zwei benachbarte dauermagnetische Stäbe der beiden Stapel des Läufers können erfindungsgemäß durch
magnetisch nicht wirksame Abstandshalter in einem vorbestimmten
Abstand miteinander verbunden sein. Diese Abstandshalter können ein
magnetisch nicht wirksames Leichtmaterial (Aluminium, Titan, Kunststoff – auch mit
Glasfaser- oder Kohlefa sereinlagerungen – oder dergl.) enthalten. Damit
ist die träge
Masse des Läufers
gering aber seine Stabilität
hoch.
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Durch
die Abmessungen der dauermagnetischen Stäbe in der Bewegungsrichtung
des Läufers und
die Abmessungen der Zähne
des Ständers
in der Bewegungsrichtung des Läufers
kann erfindungsgemäß eine Polteilung
definiert sein, die kleiner ist als die Abmessung der Ständerspulenanordnung
in der Bewegungsrichtung des Läufers.
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Der/die äußeren Bereich/e
des Ständers können erfindungsgemäß zusätzlich oder
an Stelle der inneren Bereiche des Ständers wenigstens eine Ständerspule
aufweisen.
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Die
Abmessung der Spulenanordnung des Ständers in Bewegungsrichtung
des Läufers
kann erfindungsgemäß größer sein
als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zahnpaaren des Ständers.
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Der
Ständer
(der innere und/oder der äußere magnetisch
leitende Bereich) ist wegen des praktisch ausschließlich zweidimensionalen
Magnetflussverlaufs durch den Ständer
vorzugsweise aus Elektroblechteilen aufgebaut. Es ist jedoch auch
möglich, ihn
zumindest teilweise als einen weichmagnetischen Formkörper, vorzugsweise
aus gepresstem und/oder gesintertem Metallpulver herzustellen.
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Erfindungsgemäß bilden
die äußeren Bereiche
des Ständers
zumindest teilweise einen magnetischen Rückschlusskörper.
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Durch
die hohe Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Anordnung können die
Querabmessungen des Linearaktors mit den notwendigen Leistungsdaten
sehr klein gehalten werden. Dies erlaubt den Einsatz in beengten
Bauräumen.
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Für die lose
Kopplung des erfindungsgemäßen Linearaktors
mit dem Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges
zur Übertragung
der Schlagenergie sind die unterschiedlichsten Ausgestaltungen möglich. So
kann zum Beispiel das Antriebsglied mit einem Schlagteil in Bewegungsrichtung
des Läufers längsverschieblich
derart getrieblich gekoppelt sein, dass das Schlagteil den mechanischen
Impuls auf das Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges im Wesentlichen
in der Bewegungsrichtung des Läufers übertragen
kann.
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Die
Spulenanordnung des Ständers
kann dazu eingerichtet sein, durch eine elektronische Steuerung
derart bestromt zu werden, dass das Antriebsglied vor einem Auftreffen
des Schlagteils auf das Werkzeug oder eine Werkzeugaufnahme in dem Elektro-Schlagwerkzeug
seine Bewegung abbremst und das Schlagteil einen vorbestimmten Weg
in einer Freiflugphase zurücklegt.
Unter Freiflugphase ist dabei eine Bewegung des Schlagteils in Bewegungsrichtung
des Läufers
verstanden, in der das Schlagteil nicht oder praktisch nicht mehr
von dem Antriebsglied auf das Werkzeug oder eine Werkzeugaufnahme
in dem Elektro-Schlagwerkzeug befördert wird; vielmehr „fliegt" das Schlagteil infolge
einer vorherigen, von dem Läufer
durch Antriebsglied auf das Schlagteil ausgeübten, Beschleunigung ohne weitere Antriebskopplung
mit dem Läufer
auf das Werkzeug oder die Werkzeugaufnahme zu. Mit anderen Worten hat
sich das Schlagteil von dem Antriebsteil gelöst. Durch die Freiflugphase
des Schlagteils wird eine mechanische Entkopplung des Werkzeugs
oder der Werkzeugaufnahme von dem Läufer des Linearaktors im Moment
des Auftreffens des Schlagteils auf das Werkzeug oder die Werkzeugaufnahme
erreicht. Diese lose Kopplung hat zur Folge, dass die einzelnen
Komponenten des Linearaktors, insbesondere dessen Läufer, nicht
so stark mechanisch belastet sind.
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Die
Spulenanordnung des Ständers
kann des Weiteren dazu eingerichtet sein, durch eine elektronische
Steuerung derart bestromt zu werden, dass das Antriebsglied das
Schlagteil in Richtung auf das auf das Werkzeug oder eine Werkzeugaufnahme
in dem Elektro-Schlagwerkzeug hin, und von dem Werkzeug oder der
Werkzeugaufnahme weg wieder in die Ausgangsposition bewegt.
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Um
ein Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeug zu betätigen, kann der Läufer auch
einen Treibstößel aufweisen,
der mit einer Arbeitskammer zusammenwirkt, in der ein Arbeitskolben
verschieblich aufgenommen ist, der dazu eingerichtet ist, auf das Werkzeug
des Elektro-Schlaghammers
zu schlagen, wobei sich in der Arbeitskammer zwischen dem Treibstößel und
dem Arbeitskolben ein Arbeitsmedium befindet, so dass bei einer
Bewegung des Treibstößels in
der Bewegungsrichtung des Läufers
der Arbeitskolben eine damit korrespondierende Bewegung ausführt.
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Ein
Unterschied der erfindungsgemäßen Anordnung
zu der oben geschilderten bekannten Anordnung eines Aufbruchhammers
ist, dass durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Linearaktors bzw. dessen
lose Ankopplung an das Werkzeug des Elektro-Schalgwerkzeuges die
zur Umsetzung der Rotationsbewegung des Wechselstrom-Universalmotors
in eine geradlinige Bewegung erforderlichen Komponenten (Getriebe,
Kurbeltrieb mit Kurbeltriebzapfen, und Pleuel) entfallen.
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Dabei
kann der Treibstößel zumindest
abschnittsweise in die zum Beispiel hohlzylindrisch gestaltete Arbeitskammer
hinein ragen. Außerdem
ist das Arbeitsmedium vorzugsweise ein kompressibles Medium, z.B.
Luft oder ein anderes Gas; es ist jedoch auch möglich, ein inkompressibles
Medium, z.B. Öl, Wasser
oder dergl. zu verwenden. Schließlich kann wenigstens ein Anschlag
vorgesehen sein, mit dem der Arbeitskolben zusammenwirkt, um die
Bewegung des Arbeitskolbens in eine oder beide Richtungen seiner
Bewegung zu begrenzen.
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Der
Arbeitskolben kann in der Arbeitskammer derart angeordnet sein,
dass die durch ihn ausgeführte
Bewegung etwa längs
der Bewegungsrichtung des Läufers
orientiert ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Bewegungsrichtung
des Läufers und
die Bewegungsrichtung des Arbeitskolben bzw. mit diesem verbundenen
Werkzeuges des Elektro-Schlagwerkzeugs nicht kolinear sind sondern
einen Winkel miteinander einschließen.
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Durch
das Arbeitsmedium zwischen dem Treibstößel und dem Arbeitskolben in
der Arbeitskammer wird die Energie von dem Linearaktor auf den Arbeitskolben
bzw. das Werkzeug übertragen. Dabei
wird im Fall eines kompressiblen Mediums eine mechanische Entkopplung
des Arbeitskolben bzw. des Werkzeugs von dem Läufer des Linearaktors erreicht.
Diese Entkopplung hat zur Folge, dass die einzelnen Komponenten
des Linearaktors, insbesondere dessen Läufer, nicht so stark mechanisch belastet
sind. Falls eine stärkere
Kopplung gewünscht
ist, kann dies durch Verwendung eines inkompressiblen Mediums erreicht
werden, wobei z.B. durch ein federbelastetes Druckaufnahmegefäß die Kopplung
einstellbar ist.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden
anhand der nachstehenden Beschreibung erläutert, in der auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearaktors
in einem Elektro-Schlagwerkzeug
schematisch in perspektivischem Längsschnitt veranschaulicht.
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In 1a ist
eine alternative Ausführungsform
einer losen getrieblichen Kopplung eines Schlagteils mit dem Läufer schematisch
in perspektivischem Längsschnitt
veranschaulicht.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
einer Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Linearaktors in dem Elektro-Schlagwerkzeug
schematisch in perspektivischer Draufsicht veranschaulicht.
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In 3 ist
eine Ausführungsform
eines Ständers
des erfindungsgemäßen Linearaktors
in dem Elektro-Schlagwerkzeug schematisch in perspektivischer Draufsicht
veranschaulicht.
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In 4 ist
eine Ausführungsform
eines Stapels aus Magnetstäben
des erfindungsgemäßen Linearaktors
in dem Elektro-Schlagwerkzeug schematisch in perspektivischer Draufsicht
veranschaulicht.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearaktors
in dem Elektro-Schlagwerkzeug schematisch in perspektivischem Längsschnitt
veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
derzeit bevorzugter Ausführungsformen
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
eines elektrischen Linearaktors 10 in einem Elektro-Schlagwerkzeug veranschaulicht,
der Läufer 16 und
einen Ständer 18 hat.
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Der
Läufer 16 hat
zwei voneinander in einem Abstand L angeordnete parallele Stapel 14, 14' aus einer Vielzahl übereinander
angeordneter, dauermagnetischer Stäbe 30, 30' mit im Wesentlichen
quaderförmiger
Gestalt.
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Der
Ständer 18 ist
als weichmagnetischer Formkörper
aus gesintertem Eisen-Metallpulver oder aus geschichteten Eisenblechen
gebildet. Der Ständer 18 hat
mehrere Zahnpaare 22a, 22a'; 22b, 22b'; 22c, 22c'; 22d, 22d'; 22e, 22e'; 22f, 22f mit
einander gegenüberstehenden
Zähnen 22.
Zwischen den Zähnen 22 eines
Zahnpaares ist jeweils einer der beiden Stapel 14, 14' unter Bildung
eines Luftspaltes 24 bzw. 24' aufgenommen.
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Zwischen
den beiden Stapeln 14, 14' des Läufers 16 hat der Ständer 18 magnetisch
leitende innere Bereiche 50, 50a, die in der Bewegungsrichtung
B des Läufers 16 voneinander
in einem vorbestimmten Abstand A angeordnet sind. Jeder der beiden
inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 ist
jeweils von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung 60, 60a umgeben.
Die Mittellängsachse
M der jeweiligen Spulenanordnungen 60, 60a verläuft etwa
quer zu der Bewegungsrichtung B des Läufers 16. Die Spulenanordnung 60, 60a ist
zum Erzielen eines möglichst
hohen Füllfaktors
als Kupferbandspule ausgeführt.
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Die
beiden Spulenanordnung 60, 60a sind so mit Strom
zu beaufschlagen, dass sie jeweils ein Magnetfeld in entgegengesetzter
Richtung erzeugen. In 1 erzeugt die obere Spulenanordnung 60 in
der gezeigten Stellung des Läufers 16 ein
Magnetfeld, das im Wesentlichen längs der Mittellängsachse
der Spulenanordnung 60 von links nach rechts orientiert ist,
während
die untere Spulenanordnung 60a in der gezeigten Stellung
des Läufers 16 ein
Magnet feld erzeugt, das im Wesentlichen längs der Mittellängsachse
der Spulenanordnung 60 von rechts nach links orientiert
ist. Dies wechselt, um den Läufer 16 längs der Bewegungsrichtung
B (auf oder ab) zu treiben.
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Da
jede Spulenanordnung 60, 60a über ihre gesamte Erstreckung
den jeweiligen der beiden inneren Bereiche 50, 50a des
Ständers 18 vollständig umgibt,
kann sie mit maximalem Wicklungsraum ausgefüllt sein. Wie in den 1 und 2 durch
entsprechende Pfeile – bzw.
Pfeilspitzen und Pfeilenden – veranschaulicht,
sind die beiden Spulenanordnungen 60, 60a so zu
bestromen, dass sie in dem mittleren Abschnitt 64, in dem
sie aneinander anliegen, jeweils Strom in der gleichen Richtung
führen
(siehe 2).
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In
der gezeigten Anordnung ist der Läufer 16 aus zwei parallel
ausgerichteten Stapeln 14, 14' gebildet, dessen Magnetstäbe aus dauermagnetischem Material
(zum Beispiel Samarium-Cobalt)
gebildet sind. Die einzelnen Magnetstäbe 30 sind bündig übereinander
angeordnet, wobei die magnetische Orientierung der Magnetstäbe 30 abwechselnd
(vom inneren Bereich des Ständers 18 nach
außen
und umgekehrt) ausgerichtet ist. Außerdem sind die Magnetstäbe 30 in
ihren Abmessungen so gestaltet, dass in einer vorbestimmten Stellung
des Läufers 16 einer
der Magnetstäbe 30 zwischen
zwei Zähnen 22 eines
Zahnpaares des Ständers 18 fluchtet.
Benachbarte Stäbe 30, 30' eines Stapels 14, 14' haben eine abwechselnde
magnetische Orientierung N → S,
S ← N.
Jeder dieser Stäbe
fluchtet damit in bestimmten Stellungen des Läufers 14 mit Zähnen 22 des
Ständers 18.
In diesen Flucht-Stellungen fällt
auch die Mittellängsachse
Z zweier einander gegenüberstehender
Zähne 22 eines
Zahnpaares im Wesentlichen mit der magnetischen Orientierung des
jeweiligen fluchtenden Stabes zusammen. Ersichtlich ist auch die
Mittellängsachse
M der Spulenanordnung 60 etwa quer zur Bewegungsrichtung
des Läufers 16 orientiert
und fluchtet etwa mit der Mittellängsachse zweier einander gegenüberstehender
Zähne eines Zahnpaares.
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Zwischen
zwei benachbarten Magnetstäben 30 eines
Stapels 14, 14' sind
zur Verringerung der trägen
Masse des Läufers 16 magnetisch
nicht wirksame, ebenfalls quaderförmige Abstandshalter 34, 34' aus Kunststoff,
zum Beispiel aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff eingefügt.
Die zueinander benachbarten Dauermagnetstäbe 30 und die magnetisch
nicht wirksamen Abstandshalter 34, 34' sind fest mit
einander verbunden. Mit anderen Worten befinden sich im beweglichen
Teil des Aktors (dem Läufer)
keine Magnetfluss leitenden Teile (wie zum Beispiel Fluss-Leitstücke), sondern
nur Dauermagnete, die stets optimal im magnetischen Feld angeordnet sind.
Diese Anordnung hat auch den Vorteil einer Gewichtseinsparung. Sofern
quaderförmige
Stäbe aus dauermagnetischem
Material nicht mit ausreichender magnetischer Feldstärke zur
Verfügung
stehen, ist es erfindungsgemäß auch möglich, die
Stäbe aus Dauermagnetsegmenten
so zusammenzusetzen, dass ein (von innen nach außen oder umgekehrt) gerichtetes
Magnetfeld quer zur Bewegungsrichtung des Läufers 16 entsteht.
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Der
Ständer 18 hat
des Weiteren zwei außerhalb
der beiden Stapel 14, 14' des Läufers 16 liegende,
magnetisch leitende äußere Bereiche 52 52', die wegen
der praktisch ausschließlich
zweidimensionalen Magnetflussführung
bevorzugt als Eisenblechpakete hergestellt sind. Es ist jedoch ebenfalls
möglich, diese
als weichmagnetische Formkörper
aus gesintertem Eisen-Metallpulver
zu formen. Diese außen liegenden
Bereiche 52, 52' des
Ständers 18 im
Querschnitt im Wesentlichen kammförmig gestaltet und haben an
ihren, den Stapeln 14, 14' des Läufers 16 zugewandten
Enden Zähne 22,
die in ihrer Form den Zähnen
der innen liegenden Bereiche 50, 50a des Ständers 18 spiegelbildlich
entsprechen.
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Zwischen
den magnetisch leitenden inneren Bereichen 50, 50a liegt
ein vorbestimmter Abstand A, der so bemessen ist, dass er im Wesentlichen
mit der Abmessung einer geraden Anzahl (in der gezeigten Ausführungsform
sind es zwei) von dauermagnetischen Stäben 30, 30' der beiden
Stapel 14, 14' (mit zugehörigen Abstandshaltern)
in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 übereinstimmt.
Die Länge der
außen
liegenden, im Querschnitt kammförmig gestalteten
Bereiche 52, 52' des
Ständers 18 ist
so bemessen, dass den Magnetstäben
des Läufers 16 zugewandte,
korrespondierende Zähne 22 an
beiden Enden jeweils einem Magnetstab unterschiedlicher Orientierung
gegenüberstehen.
Mit anderen Worten fluchten in einer bestimmten Stellung des Läufers die Zähne 22 des
Zahnpaares 22d mit einem nach außen orientierten Magnetstab,
während
die Zähne 22 des
korrespondierenden Zahnpaares 22c mit einem nach innen
orientierten Magnetstab fluchten. Entsprechendes gilt für die Zähne 22 des
Zahnpaares 22e, die mit den Zähnen 22 des Zahnpaares 22b korrespondieren,
sowie für
die Zähne 22 des
Zahnpaares 22f, die mit den Zähnen 22 des Zahnpaares 22a korrespondieren.
Damit bilden die äußeren Bereiche 52 des
Ständers 18 einen
magnetischen Rückschlusskörper. In
der 1 sind die kammförmigen Bereiche der äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 als
drei einzelne ineinander gesteckte C-förmige Joche veranschaulicht.
Es ist jedoch auch möglich, die
beiden äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 jeweils
als Paket aus einstückigen
weichmagnetischen kammförmigen
Blechen, die jeweils die Zähne aufweisen,
zu gestalten. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
der/des äußeren Bereiche/s
des Ständers 18 liegt
darin, dass praktisch kein magnetischer Streufluss in die Umgebung
abgegeben wird.
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Zur
besseren Veranschaulichung ist in 3 der Ständer 18 mit
seinen inneren 50, 50a und äußeren Bereichen 52, 52' freigestellt
gezeigt. Dabei ist einer der äußeren Bereichen 52' und der obere
innere Bereich 50 weggelassen. In der Zeichnung nicht veranschaulicht,
aber im Bereich der Erfindung liegt es, dass die äußeren Bereiche 52, 52' des Ständers 18 zusätzlich oder
an Stelle der inneren Bereiche 52 des Ständers 18 wenigstens
eine Ständerspule
aufweisen. Ersichtlich ist die Abmessung der Spulenanordnung 60, 60a in
Bewegungsrichtung des Läufers 16 größer ist
als der Abstand zwischen zwei benachbarten Zahnpaaren des Ständers 18.
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In 5 ist
eine zweite Ausführungsform
eines elektrischen Linearaktors 10 veranschaulicht. Dabei
bezeichnen in den vorherigen Fig. verwendete Bezugszeichen Teile
oder Komponenten mit gleicher oder vergleichbarer Funktion oder
Wirkungsweise und sind daher nachstehend nur in so weit erneut verläutert, als
ihre konkrete Ausgestaltung, Funktion oder Wirkungsweise von der
oben beschriebenen abweicht.
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Bei
dieser Ausführungsform
hat der Läufer 16 einen
Stapel 14 aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, dauermagnetischer
Stäbe 30 mit
im Wesentlichen quaderförmiger
Gestalt. Der Ständer 18 ist
als weichmagnetischer Blechpaketstapel gebildet. Der Ständer 18 hat
mehrere Zahnpaare 22a ... 22f mit einander gegenüberstehenden
Zähnen 22. Zwischen
den Zähnen 22 eines
Zahnpaares ist der Stapel 14 unter Bildung eines Luftspaltes 24 bzw. 24' aufgenommen.
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Auf
der einen Seite des Stapels 14 des Läufers 16 (in 5 auf
der rechten Seite) hat der Ständer 18 zwei
magnetisch leitende innere Bereiche 50, 50a, die
in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 voneinander
in einem vorbestimmten Abstand A angeordnet sind. Jeder der beiden
inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 ist
jeweils von einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Spulenanordnung 60, 60a umgeben.
Diese beiden inneren Bereiche 50, 50a des Ständers 18 bilden
praktisch die Schenkel eines liegenden "U",
dessen Verbindungsjochdurch einen magnetisch leitenden äußeren Bereich 52' gebildet ist.
Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform der zweite Stapel
des Läufers
weggelassen und das Statoreisen durchgehend geformt. Der außerhalb
des Läufers 16 liegende
außen
liegende Bereich 52 des Ständers 18 ist im Querschnitt
im Wesentlichen kammförmig
gestaltet und hat an seinen, dem Stapeln 14 des Läufers 16 zugewandten
Ende Zähne 22,
die in ihrer Form den Zähnen
der innen liegenden Bereiche 50, 50a des Ständers 18 spiegelbildlich
entsprechen.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
liegt zwischen den magnetisch leitenden inneren Bereichen 50, 50a ein
vorbestimmter Abstand A, der so bemessen ist, dass er im Wesentlichen
mit der Abmessung einer geraden Anzahl (in der gezeigten Ausführungsform
sind es zwei) von dauermagnetischen Stäben 30, 30' der beiden
Stapel 14, 14' (mit
zugehörigen Abstandshaltern)
in der Bewegungsrichtung B des Läufers 16 übereinstimmt.
Gleichermaßen
ist die Länge
der im Querschnitt kammförmig
gestalteten Bereiche 52, 52' des Ständers 18 so bemessen,
dass den Magnetstäben
des Läufers 16 zugewandte,
korrespondierende Zähne 22 an
beiden Enden jeweils einem Magnetstab unterschiedlicher Orientierung gegenüberstehen.
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Vorstehend
sind einphasig zu betreibende Linearaktoren beschrieben. Es ist
jedoch auch im Bereich der vorliegenden Erfindung, ein zwei- oder mehrphasige
Anordnung des Linearaktors zu gestalten um eine gleichmäßigere Leistungsaufnahme
des Linearaktors zu erzielen. Dazu sind die Zähne eines weiteren Statorensystems
mit zugehörigen
Spulen entsprechend dem/den vorgesehenen Phasenversätzen der
elektrischen Antriebsleistung geometrisch entlang des Magneten des
Läufers
versetzt zu positionieren.
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Der
Läufer 16 ein
stangenförmiges
Antriebsglied 15, das an seinem freien Ende (in 1 unten) ein
Langloch 15a hat. In das Langloch 15a greift in Bewegungsrichtung
B des Läufers 16 längsverschieblich
ein Stab 19 mit einem an seinem freien Ende (in 1 unten)
ausgebildeten, gegengleichen Langloch 19a ein. Der Stab 19 ist
mit einem kreiszylindrischen Schlagteil 21 aus hochfestem
Stahl verbunden. Durch die beiden mit ihren Langlöchern 15a, 19a ineinander
fassenden Enden ist das Schlagteil 21 mit dem Läufer 16 derart
getrieblich gekoppelt, dass das Schlagteil 21 auf ein mit
dem Bezugszeichen 23 angedeutetes Werkzeug des Elektro-Schlaghammers
in der Bewegungsrichtung 8 einen mechanischen Impuls übertragen
kann.
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Dabei
liegen während
einer „Schubphase" ein freies Ende
v des Antriebsgliedes 15 sowie eine innere Stelle u dessen
Langloches 15a jeweils an einer inneren Stelle v' des Langloches 19a des
Stabes 19 bzw. an einem freien Ende u' des Stabes 19 an. Dann wird
durch entsprechendes Ansteuern der Spulenanordnung des Ständers 18 ein
Verlangsamen oder Abbremsen des Läufers 16 bewirkt,
so dass die Schubberührung
zwischen dem Stab 19 und dem Antriebsgliedes 15 sich
löst; das
Schlagteil befindet sich in einer „Freiflugphase", in der es keine
Beschleunigung mehr erfährt.
Die Freiflugphase ist beendet, wenn das von dem Läufer 16 in
Richtung auf das Werkzeug 23 des Elektro-Schlaghammers
beschleunigte Schlagteil 21 auf die diesem zugewandte Stirnfläche 23a des
Werkzeugs 23a. trifft. Dadurch wird das Werkzeug 23 des
Elektro-Schlaghammers in der Bewegungsrichtung des Schlagteils 21 (in 1 nach
unten) beschleunigt. Anschließend
wird das Schlagteil 21 von dem Antriebsglied 15 wieder
zurück gezogen
(in 1 nach oben), wobei hierzu die jeweiligen entgegengesetzten
inneren Stellen w und w' der
Langlöcher 15a und 19a aneinander
anliegen.
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Das
Werkzeug 23 des Elektro-Schlaghammers und das Schlagteil 21 sind
zumindest teilweise in einem mit dem Bezugszeichen 25 angedeuteten Führungsrohr – im Gleitsitz – aufgenom men.
Der Weg des Werkzeugs 23 des Elektro-Schlaghammers ist
durch eine Stufe 25a in dem Führungsrohr begrenzt, so dass
während
des Zurückziehens
des Schlagteils 21 von dem Werkzeug 23 diese beiden sich
auch in Bewegungsrichtung des Läufers 16 voneinander
räumlich
trennen. Anstelle des gestuften Führungsrohres 25 sind
jedoch auch andere Ausgestaltungen, z.B. Führungsschienen mit entsprechenden
Wegbegrenzungsanschlägen 25a für das Werkzeug 23 des
Elektro-Schlaghammers möglich.
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Anstelle
der in 1 veranschaulichten Ausgestaltung einer losen
getrieblichen Kopplung des Schlagteils 21 mit dem Läufer 16 über das
Antriebsglied 15 und die Stange 19 mit ihren beiden
ineinander greifenden Enden sind auch andere Ausführungsformen
möglich.
Dazu ist beispielhaft in 1a eine
lose Kopplung veranschaulicht, die ebenfalls ein Beschleunigen des
Schlagteils 21 durch den Läufer 16 in Richtung
auf das Werkzeug 23 bzw. eine Werkzeugaufnahme hin, eine
Freiflugphase des Schlagteils 21 bis zu dessen Auftreffen
auf das Werkzeug 23, sowie ein Rückholen des Schlagteils 21 von
dem Werkzeug 23 weg ermöglicht.
Mit 1 übereinstimmende
oder gleichwirkende Komponenten tragen dabei übereinstimmende Bezugszeichen.
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Die
Spulenanordnung des Ständers 18 ist mit
einer nicht weiter veranschaulichten elektronische Steuerung elektrisch
verbunden und wird von dieser derart bestromt, dass der Läufer 16 vor
einem Auftreffen des Schlagteils 21 auf das Werkzeug 23 oder
eine Werkzeugaufnahme in dem Elektro-Schlaghammer seine Bewegung
abbremst und das Schlagteil 21 einen vorbestimmten Weg
in einer Freiflugphase zurücklegt.
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Nachdem
der Impuls von dem Schlagteil 21 auf das Werkzeug 23 oder
die Werkzeugaufnahme in dem Elektro-Schlagwerkzeug übertragen
worden ist so dass das Werkzeug einen Vorschub in Bewegungsrichtung
ausführt,
kann die Spulenanordnung 60, 60a durch eine elektronische
Steuerung derart bestromt werden, dass der Läufer 16 das Schlagteil 21 in
entgegengesetzter Richtung (zurück)
zieht. Dabei bewegt der Läufer 16 das
Schlagteil 21 auf das Werkzeug oder die Werkzeugaufnahme
in dem Elektro-Schlagwerkzeughin mit einer ersten Geschwindigkeit,
und mit einer zweiten, geringeren Geschwindigkeit von dem Werkzeug 23 oder
der Werkzeugaufnahme weg.
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Der
Läufer
in einer anderen, ebenfalls beispielhaften Ausgestaltung der losen
Kopplung kann auch mit einem Treibstößel versehen sein, der in eine im
Wesentlichen kreiszylindrische Arbeitskammer hineinragt und in dieser
durch eine Dichtung im Dichtsitz in Begegungsrichtung des Läufer gleitend
verschiebbar ist. In der Arbeitskammer befindet sich außerdem ein
Arbeitskolben, der ebenfalls in Begegungsrichtung des Läufers gleitend
verschiebbar ist. Der Arbeitskolben kann damit auf ein Werkzeug
des Elektro-Schlagwerkzeuges schlagen, das in einer Werkzeugaufnahme – z.B. durch
Einstecken, ein Rasten, oder dergl. – gehalten ist. In der Arbeitskammer
befindet zwischen dem Treibstößel und
dem Arbeitskolben ein Arbeitsmedium, zum Beispiel in Form von Luft,
so dass bei einer Bewegung des Treibstößels in der Bewegungsrichtung
B des Läufers
der Arbeitskolben eine entsprechende – wenn auch abgefederte – längsgerichtete
Stoßbewegung
auf die Werkzeugaufnahme ausführt.
Das "Luftkissen" zwischen dem Treibstößel und
dem Arbeitskolben verhindert praktisch eine unmittelbare Rückwirkung
von einem Rückschlag
des Werkzeuges auf den Läufer.
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Die
Wand der zylindrischen Arbeitskammer kann mit einem stufenförmigen Anschlag
versehen sein, um die Bewegung der Werkzeugaufnahme zu begrenzen,
so dass während
des Zurückziehens
des Treibstößel der
Arbeitskolben sich von dem Werkzeug in Bewegungsrichtung des Läufers voneinander räumlich trennen.
Anstelle einer gestuften rohrförmigen
Arbeitskammer sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, z.B. Führungsschienen
mit entsprechenden Wegbegrenzungsanschlägen für das Werkzeug des Elektro-Schlagwerkzeuges
möglich.
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Die
erläuterten
Ausführungsformen
eignen sich besonders um den geforderten Hub des Werkzeuges von
etwa 10–200
mm mit der erforderlichen Einzelschlagenergie von etwa 3 bis zu
etwa 150 Joule und einer Schlagzahl von ca. 150–3000 pro Minute in relativ
schmalen Bauraum zu realisieren.
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Es
versteht sich für
einen Fachmann, dass einzelne Aspekte oder Merkmale der vorstehend
beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen auch untereinander
kombinierbar sind.