CH628460A5

CH628460A5 - Ferromagnetic changeover device

Info

Publication number: CH628460A5
Application number: CH478578A
Authority: CH
Inventors: John Richard Wiegand
Original assignee: Echlin Mfg Co
Priority date: 1977-05-03
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1982-02-26
Also published as: NL188057B; DE2819305A1; GB1604205A; JPS6128196B2; BR7802730A; NL188057C; DE2819305C2; FR2389986B1; NZ187126A; IL54601A0; MX148825A; GB1604204A; IT7822914A0; CA1113577A; AU3560278A; AU520310B2; ZA782533B; NL7804760A; FR2389986A1; IL54601A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferromagnetische Kippvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Im US-Patent Nr. 3 820 090 ist ein ferromagnetischer Draht beschrieben, der eine Kern- und eine Mantelpartie mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufweist. Wie im US-Patent Nr. 3 892 118 dargelegt ist, wird ein solcher Draht z.B. durch Anwendung einer zyklischen Torsionsbeanspruchung des Drahtes erhalten, wodurch der Draht auf seinem Umfang gestreckt wird. Dazu wird der Draht abwechselnd im Uhrzeiger- und im Gegenuhrzeigersinn auf Torsion beansprucht und gleichzeitig einem axialen Zug ausgesetzt. Das Resultat ist ein Draht, der, wie anzunehmen ist, infolge eines relativ härteren Mantels und eines relativ weicheren Kerns, die Eigenschaft hat, dass nach vorhergehender Magnetisierung der Mantel den magnetisch weicheren Kern mitziehen kann.

Wenn der Draht magnetisiert wird und dann einem äusseren, ansteigenden, magnetischen Feld parallel zur Achse des Drahtes ausgesetzt wird, so wird ein Schwellwert erreicht, wo das externe Feld plötzlich den Kern mitzieht und damit die Magnetisierung des Kerns rasch umkehrt. In einer um den Draht gewickelten Induktionsspule wird als Folge des raschen Wechsels der Flussrichtung im Kern ein Impuls erzeugt. Die Umkehrung der Kernmagnetisierung ergibt sich als Folge der externen Feldintensität, wenn diese einen Schwellwert überschreitet, und ist im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit. Das heisst, die Höhe des Ausgangsimpulses ist nur wenig von der Änderungsgeschwindigkeit des angelegten Feldes abhängig, wenn es den Schwellwert überschreitet. Dies muss mit den üblicheren Impulserzeugerschaltungsanordnun-gen, die auf weichen, magnetischen Materialien basieren, deren Hysterese kontinuierlich verläuft, verglichen werden. Die

Ausgangsimpuls-Amplitude (und invers dazu die Impulsbreite) dieser letzteren Klasse von Anordnungen ist im wesentlichen proportional zur zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Feldes, wenn es die Koerzitivkraft überschreitet.

In ähnlicher Art ergibt sich eine Ümkehrung der Kernmagnetisierung, und ein Umkehrimpuls wird in der Induktionsspule erzeugt, wenn das externe magnetische Feld abnimmt und einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Wieder ist der Ausgangsimpuls im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Feld abnimmt, und alles, was benötigt wird, ist, dass der schaltende Schwellwert über- bzw. unterschritten wird.

Die Grösse des Ausgangsimpulses ist für den Wert des Drahtes und den Umfang der kommerziellen Anwendungsmöglichkeiten äusserst wichtig. Je grösser nämlich der Impuls ist, um so weniger Draht wird in elektronischen Schaltungsanordnungen benötigt, um bei dem von der Induktionsspule gelieferten Impuls diesen von den Geräuschen zu unterscheiden. Je grösser der Impuls aber ist, um so besser ist eine Information, die durch den Impuls ausgelöst oder festgestellt wird, wiederholbar.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebene. Kippvorrichtung derart zu verbessern, dass die beim Durchgang durch Schwellwerte eines externen magnetischen Feldes erzeugten Impulse ein besseres Signal-/Ge-räusch-Verhältnis und eine grössere Spitzenamplitude aufwei-. sen.

Erfindungsgemäss wird dies gemäss den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht. Im genannten Patent Nr. 3 820 090 war der Draht aus einem handelsüblichen Draht z.B. mit einem Durchmesser von V4 mm Durchmesser und in einer Legierung aus 48% Eisen und 52 % Nickel hergestellt.

Dazu war im Verfahren zur Herstellung der Kippvorrichtung gemäss dem Patent Nr. 3 892 118 vorgesehen, einen Draht einer feinkörnigen Eisen/Nickel-Legierung mit einem Durchmesser von 0,25 mm zu verwenden. Ein Stück dieses Drahtes von 1 m Länge wurde um 4 cm verlängert. Der verlängerte Draht wurde mittels zweier Einspännwerkzeug unter Spannung gehalten und im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn bis zu 0,4 Windungen pro Zentimeter Länge des Drahtes um seine Längsachse gedreht. Somit wurden Einspannwerkzeuge für einen Meter Länge des Drahtes 40mal in der einen Richtung und dann 40mal in der anderen Richtung vollständig herumgedreht. Diese Rotation im Uhrzeiger- und dann im Gegenuhrzeigersinn wurde zehn- bis fünfzehnmal wiederholt. Die Einspannwerkzeuge wurden in einer Maschine gehaltert, die einen konstanten Zug von 450 g beibehält, wenn der Draht verdreht wird. Nach diesem Vorgehen wird die Zugspannung abgebaut und der einen Meter lange Draht wird in beliebig gewünschte Längen (üblicherweise 1—3 cm Länge) zur Verwendung in den verschiedenen Schalter- und Impulserzeuger-Anwendungen, die für diesen Draht entwickelt wurden, geschnitten.

Einige Variationen bezüglich Zugkraft, Anzahl Umdrehungen pro Meter und Anzahl Zyklen von Rotation im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn sind als Funktion des Drahtdurchmessers, der chemischen Zusammensetzung des Drahtes und dem Anwendungsgebiet erwünscht.

Ein Vergleich der bekannten Kippvorrichtung und der neu vorgeschlagenen Kippvorrichtung zeigte die wichtige Verbesserung, dass bei der neuen Anordnung ohne ein externes Feld kein automatisches Kippen vom Zustand, in dem Mantel und Kern eine gleichgerichtete Magnetisierung haben, in den Zustand mit gegensinnig gerichteter Magnetisierung erfolgt.

Zudem kann bei der neuen Anordnung ein asymmetrisches Kippen beobachtet werden, d.h. dass der induzierte Impuls, der durch das Kippen der Magnetisierung des Kerns bezüglich

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

628 460

des Mantels in die eine Richtung unterschiedlich zum Impuls ist, der erzeugt wird, wenn die Magnetisierung des Kerns umgekehrt kippt. Insbesondere, wenn der Kern vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand kippt, ist der Impuls wesentlich grösser als der Impuls, der beim Kippen vom Gleichlaufzustand in den Umkehrzustand erzeugt wird.

Das Schalten vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand geschieht somit mit einer grossen Änderung des Magnetflusses und daher mit einem grossen Ausgangsimpuls aus der Induktionsspule. Es hat sich zudem gezeigt, dass die neue Kippvorrichtung relativ unempfindlich bezüglich Umweltbedingungen ist, inklusive der meisten umgebenden magnetischen Felder, und kann daher besonders zur Zeitmessung, Annäherungsfeststellung und Kodierung nützlich sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrösserte schematische Darstellung in einem Aufriss und einem Seitenriss einer ferromagnetischen Kippvorrichtung nach der Erfindung, die Magnetisierung des Mantels und des Kerns sind im Umkehrzustand dargestellt, bei der Mantel und Kern in entgegengesetzten Richtungen magneti-siert sind;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Magnetspule zum Anlegen eines externen Feldes an die ferromagnetische Kippvorrichtung gemäss Fig. 1 und einer Induktionsspule zwecks Abgabe eines Ausgangsimpulses aufgrund des Kippens des Magnetfeldes im Draht;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der asymmetrischen Schaltungsweise beim Kippen; Fig. 3 ist dabei das Ergebnis eines Versuches, der mit einer Anordnung nach Fig. 2 durchgeführt wurde; Fig. 3 zeigt das externe Auslösefeld, die Hystereseschleife und den erhaltenen Ausgangsimpuls;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der symmetrischen Schaltungsweise beim Kippen und das externe Auslösefeld, die Hystereseschleife und den erhaltenen Ausgangsimpuls und

Fig. 5 eine perspektivische schematische Darstellung der Technik zur Behandlung eines Drahtes, zur Erzielung der Wirkungsweise nach dieser Erfindung.

Der Draht gemäss den einleitend angegebenen Patenten wird in Abschnitten zwischen 1 und 3 cm benützt. Wenn diese magnetisiert werden, hat jeder Abschnitt zwei magnetische Zustände. Beim Kippen zwischen diesen beiden Zuständen kippt wenigstens ein Teil des magnetischen Flusses bezüglich der Richtung, so dass eine Induktionsspule, die um den Draht gewickelt ist, einen Impuls erzeugt. Die Geschwindigkeit, mit der die Magnetrichtung kippt, wenn der magnetische Zustand im Draht sich ändert, ist so gross, dass der durch die Induktionsspule erzeugte elektrische Impuls ein unterscheidbarer, scharfer und damit verwendbarer Impuls mit einer Dauer von annähernd 20 us ist. Das Kippen des Zustandes ist die Folge eines externen magnetischen Feldes mit einer eigenen Feîd-richtung mit entweder einer sich vergrössernden magnetischen Feldstärke, die bis über einen ersten Schwellwert steigt, oder einer sich verkleinernden magnetischen Feldstärke, die bis unter einen zweiten Schwellwert fällt. Das Kippen im Draht ist damit von einem Schwellwert eines magnetischen Feldes, das darauf einwirkt, abhängig. Als Resultat ist die Höhe des Ausgangsimpulses nicht abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das äussere, auslösende, magnetische Feld zunimmt oder abnimmt, dies ist wenigstens der Fall bis zu sehr hohen Änderungsgeschwindigkeiten. Die Verwendung dieses Drahtes zur Erzeugung dieses unterscheidbaren, höchst scharfen Ausgangsimpulses hat weitere Vorteile, indem der Prozess ohne jegliches elektrisches Eingangssignal oder Strom abläuft. Somit können externe Permanentmagnete als Quelle für das auslösende magnetische Feld verwendet werden, und alles, was benötigt wird, ist, dass die Lage zwischen dem bistabilen, magnetischen Draht und den externen Permanentmagneten verändert wird, um die Erhöhung des magnetischen Feldes über den ersten Schwellwert und/oder die Abnahme des externen Feldes unter den zweiten Schwellwert zu bewirken. Auch wenn das auslösende magnetische Feld mit einem elektrischen Strom durch eine Spule um den Draht herum, wie in Fig. 2 gezeigt, erzeugt wird, braucht es keinen anderen elektrischen Eingang für die Schaltvorrichtung.

Es wird angenommen, dass dieser bistabile, magnetische Draht derart arbeitet, weil eine enge, physikalische Beziehung zwischen einer magnetisch härteren Mantelzone und einer magnetisch weicheren Kernzone besteht. Diese physikalische Beziehung ist die Folge der Tatsache, dass sowohl der Mantel wie auch der Kern Elemente eines sonst homogenen Drahtes sind. Die Zusammenhänge, durch die dieses neue Phänomen arbeitet, werden heute noch immer untersucht.

In Fig. 1 ist eine Anordnung 10 eines magnetischen Drahtes gemäss der vorliegenden Erfindung dargestellt und umfasst ein kaltgehärtetes, magnetisches Material, bestehend aus Kobalt, Eisen und Vanadium. Der magnetische Drahtabschnitt hat einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, vorzugsweise einen genauen kreisförmigen Querschnitt oder wenigstens so nahe wie möglich bei diesem Kreisquerschnitt, wie er vernünftigerweise erhältlich ist. Drahtabschnitte von etwa 0,25 mm Durchmesser und mit einer Länge von 1—3 cm wurden als nützlich gefunden.

Der Draht wird behandelt, wie unten angegeben ist, um einen einstückigen, magnetischen Drahtabschnitt 10 zu erzeugen, der einen relativ «weichen» Kern 11 mit relativ geringer magnetischer Koerzitivkraft und einen relativ «harten» Mantel 12 mit relativ hoher magnetischer Koerzitivkraft hat.

Der Ausdruck «Koerzitivkraft» ist hierin im traditionellen Sinn gebraucht, um die Intensität des externen magnetischen Feldes anzugeben, die notwendig ist, um eine Eigenmagnetisierung des magnetisierten Prüflings aus ferromagnetischem Material auf Null zu bringen.

In Fig. 1 ist der relativ «weiche» Kern 11 magnetisch anisotrop zur Vorzugsachse der Magnetisierung, die im wesentlichen parallel zur Achse des Drahtes verläuft. Der relativ «harte» Mantel 12 ist ebenfalls magnetisch anisotrop zu einer Vorzugsachse der Magnetisierung, die eine Eigenmagnetisierung im wesentlichen parallel zur Achse des Drahtes bringt. Die Richtung der Magnetisierung des Kerns 11 ist in weiten Teilen eine Funktion der Einwirkung des magnetischen Feldes des Mantels und irgendeines extern angelegten, magnetischen Feldes. Im Zustand, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Eigenmagnetisierung des Mantels 12 umgekehrt zur Eigenmagnetisierung des Kerns 11. Dieser Zustand wird hier als gegensinnig gerichteter Zustand bezeichnet. In diesem gegensinnig gerichteten Zustand definiert eine Grenzfläche 13 die Verbindung zwischen Kern 11 und Mantel 12. Diese Grenzfläche 13 ist in Fig. 1 als zylindrisch geformte Fläche 13 dargestellt, obwohl angenommen wird, dass die Grenzfläche eher als komplexe magnetische Übergangszone im Draht in Erscheinung tritt.

Es wurde gefunden, dass Impulse aus Drähten erhalten werden können, die aus Kobalt, Eisen und Vanadium bestehen, und die wenigstens eine Grössenordnung grösser sind als die Impulse, die mit einer Eisen/Nickel-Legierung erhalten werden, die in den oben angegebenen Patenten beschrieben ist.

Eine bevorzugte Zusammensetzung des Drahtes nach dieser Erfindung ist eine solche, bei der der Gehalt an Kobalt einen Anteil zwischen 45-55%, der Gehalt an Eisen einen Anteil zwischen 30-50% und der Gehalt an Vanadium zwischen 4 und 14% ausmacht. Eine handelsübliche Legierung mit Kobalt, Eisen und Vanadium, die zur Ausübung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, kann bei Wilbur B. Driver Co., Inc. unter der Markenbezeichnung «Vicalloy» bezogen werden. Drähte mit 0,25 mm Durchmesser, die sauber gearbeitet wa5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

628 460

4

ren, wurden benützt, um Magnetanordnungen gemäss der vorliegenden Erfindung herzustellen. Vicalloy-Draht hat eine nominelle Zusammensetzung von rund 52% Kobalt, etwa 10% Vanadium und dem Rest Eisen mit gewissen kleineren Beimischungen, die Mangan und Silikon in Menge, die leicht unterhalb eines halben Prozentes liegen, enthalten.

Erstes Behandlungsschema

Verwendet wird ein 30 cm langer Draht mit einem Durchmesser von V4 mm aus Vicalloy; ein bevorzugtes Behandlungs-schema bei der Kaltverformung beinhaltet folgende Schritte:

1. Der Draht wird auf seine volle Länge gestreckt. Gemäss Fig. 5 ist die Länge des Drahtes mit Einspannmitteln 42 und 44 festgehalten. Der Draht ist genügend gezogen durch einen unter Federkraft stehenden Haspel 46, um den Draht 40 derart zu ziehen, dass keine Biegungen mehr darin vorhanden sind, ohne dass der Draht verlängert wird. Der Draht 40 wird dann einem einzelnen Zyklus von Torsionsbeanspruchung unterworfen, der ungefähr 64 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn, gefolgte von ungefähr 48 Drehungen im Uhrzeigersinn, umfasst. Der Zug wird während aller Torsionsbeanspruchungs-schritte beibehalten.

2. Der Draht wird dann 17V2 Zyklen zu je V2 Drehungen in jeder Richtung unterworfen. Insbesondere werden 8 V2 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn von 8V2 Drehungen im Uhrzeigersinn gefolgt, was einen einzelnen Zyklus ergibt. Solche Zyklen werden 17mal wiederholt, und dann wird dieser Schritt mit 8V2 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn vervollständigt. Während dieses zweiten Schrittes, der normalerweise 10-15 Sekunden dauert, wird der 30 cm lange Draht kontinuierlich verlängert. Der Betrag der Verlängerung liegt zwischen einem und zwei Prozenten.

3. Der Schluss des Verfahrens besteht in einer weiteren Serie von 8V2 Drehungen, dieses Mal mit einer geraden Anzahl Zyklen und ohne nochmaliges Strecken, aber unter Beibehaltung der Zugkraft auf dem Draht. Drei- oder viermal wird die Anzahl Zyklen gemäss dem zweiten Schritt während dieses Schrittes durchgeführt. Es wurde gefunden, dass etwa 60 Zyklen gute Resultate liefern.

Der Draht wird dann in geeignete Abschnitte von beispielsweise 1-3 cm Länge geschnitten.

Das oben beschriebene Schema zum Kalthärten eines aus Eisen, Kobalt und Vanadium legierten Drahtes ergab gewisse erwünschte Resultate. Zur Bestimmung dieser erwünschten Resultate wurde auch gefunden, dass Variationen im obigen Schema immer noch zu einem Draht führen, der den Kippeeffekt aufweist.

Zweites Behandlungsschema

Ein zweites Verfahren wurde gefunden, um diesen Vical-loy-Draht für Anwendungen herzustellen, bei denen die maximale Stabilität über längere Zeit hinweg weniger wichtig ist. Es wird ebenfalls ein 30 cm langer Draht mit V4 mm Durchmesser verwendet.

1. Der Draht wird auf seine volle Länge ausgezogen. Die angelegte Spannung hält den Draht auf der vollen Länge gerade, ohne ihn zu verlängern. Darauf wird der Draht einer einzelnen Torsionsbeanspruchung mit 14 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn, gefolgt von 12 Drehungen im Uhrzeigersinn, unterworfen.

2. Der Draht wird nun 120 Zyklen zu je 12 Drehungen in jeder Richtung unterworfen; d.h. 12 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn, gefolgt von 12 Drehungen im Uhrzeigersinn, bilden einen Zyklus. Dieser Zyklus wird 120mal wiederholt. Während dieses zweiten Verfahrensschrittes wird der Draht kontinuierlich gleichzeitig mit der Torsionsbeanspruchung gestreckt. Durch diese Streckung wird der 30 cm lange Draht langsam und kontinuierlich um etwa 3 mm verlängert.

3. Der abschliessende Kalthärtungs-Verfahrensschritt besteht aus weiteren 20 Zyklen von je 12 Drehungen im Gegenuhrzeigersinn und je 12 Drehungen im Uhrzeigersinn, ohne den Draht weiter zu verlängern, aber mit gleichbleibender Zugkraft, so dass die im Schritt 2 erhaltene Verlängerung beibehalten wird.

Der Draht wird dann in Abschnitte von gewünschter Länge von z.B. 1-3 cm geschnitten.

Die in beiden Kalthärtungsverfahren verwendeten Legierungen sind im wesentlichen dieselben. Sie sind ursprünglich getempert, damit das Ausgangsmaterial einheitlich ist und um eine geeignete Biegsamkeit des Materials für die Kaltverformung zu erhalten. Das Tempern sollte bis zu einem Punkt erfolgt sein, bei dem die Kornstruktur annähernd 10 000 Körner pro Quadratmillimeter (oder mehr) aufweist. Diese feine Körnung hilft mit zur Sicherstellung der verlangten Biegsamkeit.

Es wurde gefunden, dass bei beiden Verfahren ein vierter Schritt wichtig ist. Dieser Schritt besteht aus einer Wärmebehandlung. Bei den anfänglichen Experimenten wurde mit einer Erwärmung bis 320 °C während acht Stunden gearbeitet. Es wurde jedoch gefunden, dass das Ergebnis zufriedenstellend ist, wenn mit 300 °C während vier Stunden gearbeitet wurde, was zudem noch den Vorteil hat, dass die Herstellung des Drahtes beschleunigt wird. Zurzeit scheint eine Wärmebehandlung erfolgversprechend, bei der ein Strom von 5,6 A während 120 ms durch den 0,25 mm Draht geleitet wird. Die Wärmebehandlung ergibt eine erkennbare Verbesserung bezüglich des Ausgangsimpulses. Vielleicht ist es wichtiger, dass diese Wärmebehandlung die Gefahr vermindert, dass die Eigenschaften des Drahtes sich während einer Verwendung als Draht in einer Umgebung mit hohen Temperaturen nicht verändern. Dieser vierte Schritt der Nachhärtungsbehandlung führt zu einer Alterung, die zu einer besseren Stabilität in der Verwendung führt.

Drahtprüfung und Resultate

Fig. 2 zeigt schematisch das Testgerät, das verwendet wurde, um den Ausgangsimpuls zu bestimmen, der erhalten werden kann, wenn ein Vanadium/Kobalt/Eisen-Draht nach der Erfindung benutzt und mit dem Eisen/Nickel-Draht gemäss den genannten Patenten verglichen wurde. Dem Transformer 20 wird ein Strom aus dem Netz mit 50 Hz zugeführt, um die Magnetspule 22 zu speisen. Ein Abschnitt des Drahtes 10 liegt zentral im Innern der Magnetspule 22 und eine Induktionsspule 24 ist um den Draht 10 gewickelt. Ein Strom durch die Wicklungen der Magnetspule 22 erzeugt ein axiales magnetisches Feld im Zentrum der Magnetspule 22.

Es wurde gefunden, dass der ausgeprägteste Ausgangsimpuls vom Vanadium/Kobalt/Eisen-Draht dann erhalten wird, wenn der Draht asymmetrisch gekippt wird. Als Resultat vom Schaltkreis nach Fig. 2 ergab sich, dass das Erregerfeld H, das auf den Draht 10 wirkt, sich durch die Kurve 32 in Fig. 3 darstellen lässt. Die Diode 28 lässt die volle positive Halbwelle des 50-Hz-Wechselstromes durch, und der Widerstand 26 ist derart eingestellt, dass nur eine stark reduzierte negative Halbwelle geleitet wird, so dass das Erregerfeld, das auf den Draht 10 wirkt, eine positive Spitze von 11 940 A/m (= 150 Örsted) und eine negative Spitze von nur etwa 1592 A/m (= 20 Örsted) aufweist. Der Widerstand 30 ist lediglich ein Strombegrenzerwiderstand.

Die Hystereseschleife für den Draht 10 nach der Erfindung bei dieser Erregung ist durch die Kurve 34 in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 ist die Darstellung, wie es auf dem Schirm eines Oszillo-skopes ersichtlich wäre. Die Unterbrüche (Wiegand-Sprünge) in der Kurve 34, die mit «Umkehrkippung» und «Gleichlauf-kippung» bezeichnet sind, erscheinen auf dem Oszilloskop als blasser Strich, weil die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses (oder Magnetisierung B) durch den Kern 10 sehr rasch vor

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

628 460

sich geht, wenn die Stärke des äusseren Feldes H den dazugehörigen Schwellwert überschreitet. Der grössere Spalt in der Kurve 34 ist mit «Gleichlaufkippung» bezeichnet. Dieser Zustand erscheint, wenn das externe magnetische Längsfeld H die längsgerichtete Magnetisierung des Kerns aus dem gegengerichteten Zustand (Fig. 1), d.h. die Kernmagnetisierung ist umgekehrt zur Magnetisierungsrichtung des Mantels 12, in den gleichgerichteten Zustand kippt, in dem die Kernmagnetisierung die gleiche Richtung hat wie die Magnetisierung des Mantels. Während der Umkehrkippung wird der Kern durch das magnetische Feld H vom gleichgerichteten Zustand in den entgegengesetzt gerichteten Zustand gekippt. Wie Fig. 3 zeigt, ist der Impuls C, der in der Spule 24 beim Kippen vom Un-kehrzustand in den Gleichlaufzustand induziert wird, viel grösser als der Impuls R, der durch das Kippen vom Gleichlaufzustand in den Umkehrzustand induziert wird. Der Impuls C bei der Gleichlaufkippung ist ungefähr zehnmal so gross wie der Impuls R bei der Umkehrkippung.

Bei Verwendung eines Drahtabschnittes von 3 cm Länge für den Draht 10 und mit einer Induktionsspule 24 mit 925 Windungen aus Draht mit 0,15 mm Durchmesser, wobei der Ausgang der Spule 24 auf eine Last mit 1000 Ohm geführt ist, kann ein Ausgangsimpuls C erhalten werden, der grösser ist als 1,5 V und bei halber Amplitude eine Breite von etwa 20 as hat. Im Gegensatz dazu weist der Impuls R eine Höhe von 125 mV und eine Breite von wenigstens 60 /is auf. Somit hat der Impuls C bei diesen Bedingungen eine Amplitude, die zwölfmal so gross ist wie die des Impulses R. Gegen eine offene Schleife hin konnte ein Impuls C mit mehr als 2 V erhalten werden.

Erstaunlicherweise konnten bei einem Erregerfeld H mit 11 940 A/m in negativer Richtung ebensogut wie mit einem Feld H mit 11 940 A/m in positiver Richtung Impulse 40 erzeugt werden, die gleich waren, aber eine umgekehrte Polarität aufwiesen (Fig. 4). In der besonderen Ausführungsform, wie oben beschrieben, hatten die Impulse 40 eine Amplitude von etwa 550 mV und eine Breite von etwa 40 fx bei halber Amplitude.

Somit sind sich die beiden Kippimpulse bei symmetrischem Kippen gleich und haben eine wesentlich kleinere Amplitude als bei der Gleichlaufkippung, wo der Impuls C bei optimalem asymmetrischem Kippen wesentlich grösser ist als der bei der Umkehrkippung erhaltene Impuls R. Dieser Zustand ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei ist die gleiche Anordnung wie in Fig. 2 benützt mit der Ausnahme, dass die Diode 28 und der Widerstand 26 weggelassen wurden, so dass ein volles, sinusförmiges Erregerfeld 36 auf den Draht 10 als externes Feld H mit einer Stärke zwischen plus 11 940 A/m und minus 11 940 A/m einwirkt. Das Resultat ist die Hysteresekurve 37.

Bei positivem Feld H sind Mantel 12 und Kern 11 in positiver Richtung magnetisiert, dies ist durch die rechte obere Ecke der Hysteresekurve 37 dargestellt. Dies kann als positiver Gleichlaufzustand angesehen werden. Wenn das externe Feld H abnimmt, wird auch die Magnetisierung B kleiner, bis zu einer relativ schwachen, negativen Feldstärke von minus 955 A/m (= 12 Örsted), wo der Kern 11 seine Magnetisierungsrichtung von positiv auf negativ wechselt. Somit kippt die Vorrichtung 10 von einem Gleichlaufzustand in einen Umkehrzustand. Dies erzeugt den Unterbruch 37a in der Kurve 37 und ergibt über die Induktionsspule 24 einen Ausgangsimpuls von annähernd 550 mV mit einer Breite von fis. Wenn das Magnetfeld H in negativer Richtung stärker wird, wird ein Punkt erreicht, wo die Magnetisierung des Mantels kippt und einen kleinen Unterbruch 37b in der Hysteresekurve 37 und damit einen kleinen Ausgangsimpuls 42 bewirkt. Der Kern und der Mantel befinden sich damit in negativem Gleichlaufzustand. Das Feld H kommt zu einem negativen Spitzenwert und geht dann zurück, indem es weniger negativ wird. Wenn das Feld H ein wenig positiv wird (955 A/m), kippt der Kern 13 von der negativen Richtung in die positive Richtung, dargestellt durch den Unterbruch 37c. Dies ergibt einen weiteren Ausgangsimpuls 40 der 550 mV hoch und 40 ^s breit ist. Dies ist ein Kippen von einem negativen Gleichlaufzustand in einen Umkehrzustand. Das Feld H wird stärker positiv, bis ein Punkt erreicht wird, der durch den kleinen Unterbruch 37d dargestellt ist, wo der Mantel seine Magnetisierungsrichtung wechselt und einen kleinen Ausgangsimpuls 42 erzeugt, bei dem die Vorrichtung 10 in den positiven Gleichlaufzustand kippt.

Wenn die Erregung H genügend negativ und ebenso genügend positiv wird, so dass der Mantel gemäss Fig. 4 kippt, so kippt der Kern immer, wenn die Anordnung vom Gleichlaufzustand in den Umkehrzustand kippt. Im Gegensatz, wenn die Erregung H in einer Richtung begrenzt wird, so dass die Magnetisierung des Mantels nicht kippt, wie Fig. 3 zeigt, dann ergibt sich ein asymmetrisches Schalten, indem der Kern in den Umkehrzustand kippt, wenn die Anordnung vom Gleichlaufzustand in den Umkehrzustand kippt, und umgekehrt kippt der Kern in den Gleichlaufzustand, wenn die Anordnung vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand kippt. Das Kippen vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand erzeugt einen grösseren Ausgangsimpuls als das Kippen vom Gleichlaufzustand in den Umkehrzustand, weil der erstgenannte bei einer grösseren Änderungsgeschwindigkeit erzeugt wird als der zweitgenannte.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist es notwendig, dass das Erregerfeld H seine Richtung wechselt, damit die Magnetisierungsrichtung im Kern kippt. Lediglich ein Abschalten des Erregerfeldes H ergibt keine Umkehrung der Magnetisierung des Kerns 11. Diese Notwendigkeit zum Umkehren des Erregerfeldes, um die Kernmagnetisierung zu kippen, bleibt sich in jedem Fall gleich, unabhängig, ob der Kippvorgang asymmetrisch nach Fig. 3 oder symmetrisch nach Fig. 4 abläuft.

Im Gegensatz dazu konnte bei Nickel/Eisen-Drähten gemäss den genannten Patenten festgestellt werden, dass die Anordnung automatisch von einem Gleichlaufzustand in einen Umkehrzustand kippt, wenn das Erregerfeld entfernt wurde. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass der grösste Ausgangsimpuls bei Verwendung von Eisen/Kobalt/Vanadium-Drähten gemäss dieser Erfindung etwa lOmal so gross ist wie derjenige, der mit einem Nickel/Eisen-Draht, wie er in den genannten Patenten beschrieben ist, und unter gleichen Bedingungen bezüglich Belastung und mit derselben Induktionsspule 24 erhalten werden konnte.

Fig. 5 zeigt eine schematische Anordnung für die Kaltverformung des Drahtes. Eine Länge eines Drahtes 40 von beispielsweise 30 cm wird ab einer mit einer Feder vorgespannten Haspel 46 abgezogen. Der Zug wird auf dem Draht 40 beibehalten, um ihn geradezuhalten. Der Draht 40 wird durch die Einspannvorrichtung 40 zur Einspannvorrichtung 44 geführt. Die Einspannvorrichtungen 40, 44 werden dann angezogen, um den Draht festzuhalten. Eine zyklische Torsiorisbeanspru-chung des Drahtes 40 wird dann mittels wechselweiser Drehung des Ritzels 48 auf der Zahnstange 50 bewirkt. Die Verlängerung des Drahtes 40 wird durch langsame Drehung der Nockenscheibe 56 bewirkt, die auf einer Scheibe 58 an der Einspannvorrichtung 42 aufliegt. Die Nockenscheibe 56 wird durch einen Motorantrieb 60 rotiert.

Obwohl die Ausführungsformen für eine besondere Drahtlänge und einen einzigen Drahtdurchmesser beschrieben wurden, beinhaltet die Erfindung nichts, das den Draht auf diese speziellen Abmessungen begrenzen würde. Es ist ein breiter Bereich von Drahtabschnittlängen und Durchmessern denkbar, die als Kippanordnung gemäss der Erfindung benützbar sind, und die Grenzen dieser Bereiche wurden noch nicht bestimmt. Jedoch wird heute daran geglaubt, dass die Möglichs

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

628 460

6

keit zum Erhalten des Kippeffektes nach Fig. 3 eine noch nicht bestimmte kleinste Länge des Drahtabschnittes 10 benötigen könnte. Insbesondere zum Beibehalten des Magnetismus des Kerns im Gleichlaufzustand ohne ein externes Feld H wäre denkbar, dass der Drahtabschnitt 10 grösser sein müsste als eine bestimmte Länge. Es wird angenommen, dass, wenn das

Kippen von einem Gleichlaufzustand in einen Umkehrzustand automatisch aufgrund des Abschaltens des externen Feldes H geschieht, die Höhe des Gleichlaufkippens C des Kerns (beim Kippen vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand) nicht 5 so hoch bezüglich der Amplitude sein dürfte.

s

1 Blatt Zeichnungen

Claims

628 460

1. Ferromagnetische Kippvorrichtung mit zwei stabilen Zuständen, gekennzeichnet durch einen Draht mit einer Kernpartie (11) und einer Mantelpartie (12), die unterschiedlich ma-gnetisierbar sind, derart, dass Kernpartie und Mantelpartie entweder einen Gleichlkufzustand mit gleicher Magnetisierungsrichtung von Kernpartie und Mantelpartie oder einen Umkehrzustand mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung von Kernpartie und Mantelpartie haben, dass die Koerzitiv-kraft in der Kernpartie genügend gross ist, damit die Magnetisierung der Mantelpartie im Gleichlaufzustand die Kernpartie nicht in den Umkehrzustand zu kippen vermag, sondern dass im Gleichlaufzustand ein externes Magnetfeld benötigt wird, um die Kernpartie in den Umkehrzustand zu kippen, wobei das Kippen vom Umkehrzustand in den Gleichlaufzustand rascher erfolgt als umgekehrt.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht aus einer einheitlichen Legierung besteht, die aus Vanadium, Kobalt und Eisen besteht.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Legierung die Anteile Eisen und Kobalt zusammen einen Gewichtsprozentsatz von über 80% ausmachen.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 45-55 % Kobalt, 30-50% Eisen und 4—14% Vanadium jeweils auf wenigstens angenähert

100 % zusammengesetzt enthält.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung wenigstens angenähert 52% Kobalt, 10% Vanadium enthält und der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht.