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Magneto striktiver' Wandler und dessen Verwendung Die Erfindung betrifft
einen magnetostriktiven Wandler und dessen Verwendung.
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Die meisten herkömmlichen Wandler lassen sich in zwei Kategorien einordnen:
In elektrostriktive Wandler, welche Materialien, wie Bariumtitanat oder PZT verwenden
oder in magnetostriktive Wandler, welche Materialien, wie Ni-oder Al-Fe-Legierungen
verwenden.
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Es ist bereits bekannt, daß bestimmte schwere seltene Erdmetalle magnetostriktive
Eigenschaften zeigen, welche etwa 1 000 mal größer sind als diejenigen-von Fe oder
etwa 200 mal größer als diejenigen von Ni. Diese Eigenschaften zeigen sich jedoch
nur bei cryogenen Temperaturen, und insbesondere bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt (A. E. Clart et al., Phys. Letters 5, 100 (1963)).
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Bei Zimmertemperatur haben die seltenen Erdmetalle relativ geringe
magnetostriktive Eigenschaften, da ihre magnetische Ordnungstemperatur oder Orientierungstemperatur
gewöhnlich unterhalb Zimmertemperatur liegt. Daher sind die seltenen Erdmetalle
an sich nicht für die meisten Wandler verwendbar, da diese gewöhnlioh bei Zimmertemperatur
betrieben
werden müssen.
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Bestimmte binäre Materialien-der Formel Rx Ti-x' wobei R ein seltenes
Erdmetall, 2 ein Übergangsmetall und X eine Zahl der Bedingung O(x <1 bedeutet,
zeigen magnetostriktive Eigenschaften, welche denjenigen der seltenen Erdmetalle
vergleichbar sind. Diese Materialien sind jedoch auch noch oberhalb etwa 250 oX
und insbesondere bei etwa 300 0K (Zimmertemperatur) wirksam. Diese Materialien haben
jedoch im allgemeinen eine geringe magnetostriktive Wirkung bei geringen magnetischen
Felstärken, wie z. B. weniger als 5 Koe. Ferner ist ihre dynamische Magnetostriktion
im allgemeinen gering.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetostriktiven
Wandler zu schaffen, welcher bei Zimmertemperatur und insbesondere auch bei niedrigen
magnetischen Feldstärken gute magnetostriktive Eigenschaften bei großer dynamischer
Magnetostriktion aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgmäß durch einen magnetostriktiven Wandler
gelöst, welcher durch ein magnetostriktives Material gekennzeichnet ist, das mindestens
3 Komponenten umfaßt und die Formel RxT l-x hat, wobei R Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb,
Dy, Ho, Er, Tm, Y, Yb und eine Mischung derselben bedeutet und wobei T Fe, Co, Ni,
Mn und eine Mischung derselben bedeutet und wobei für x die Beziehung O (x <1
gilt.
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Es hat sich gezeigt, daß derartige magnetostriktive Wandler bei Temperaturen
oberhalb etwa 250 oK und insbesondere bei etwa Zimmertemperatur ausgezeichnete magnetostriktive
Eigenschaften aufweisen. Die beanspruchten 3-Komponenten-Systeme umfassen Systeme
mit zwei oder mehreren seltenen Erdelementen, welche mit einem Übergangemtall legiert
sind
oder Systeme mit einem seltenen Erdmetall, welches mit zwei
oder mehreren Übergengsmetallen legiert ist oder zwei oder mehr seltene Erdmetalle,
welche mit zwei oder mehreren Übergangselementen legiert sind0 Ferner umfaßt das
erfindungsgemäße 3-Komponenten-System physikalisch gesinterte Mischungen von mindestens
einem seltenen Erdelement und mindestens einem Übergangsmetall.
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Die erfindungsgemäßen magnetostriktiven Wandler werden unter Verwendung
eines magnetostriktiven Materials mit mindestens drei Komponenten hergestellt. Dieses
Material gehorcht der Formel R Rx Ti-x' wobei R Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho,
Er, Tm, Y, Yb oder eine Mischung derselben und T Fe, Co, -Ni, Mn oder eine Mischung
derselben bedeutet. x bedeutet einen Atombruchteil. x kann einen beliebigen Wert
größer als 0 und kleiner als 1 haben (O<x (1). Wenn die magnetostriktiven Materialien
einer Veränderung eines magnetischen Feldes ausgesetzt werden, so ändern sie ihre
Dimensionen, so daß die magnetische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Ebenso wandeln diese Materialien mechanische Energie in magnetische Energie um,
wenn sie einer Druckä'nderung unterliegene Es muß bemerkt werden, daß im Sinne vorliegender
Erfindung der Ausdruck "mechanische Energie" als physikalische Bewegung von Materie
definiert ist. Wenn somit ein Material Magnetostriktion 2eigt, so wird entweder
magnetische Energie in mechanische Energie umgewandelt oder es wird mechanische
Energie in magnetische Energie umgewandelt, "Magneatostriktion" bezieht sich auf
eine Anderung der Länge des Materials zur ursprünglichen Länge in einem bestimmten
magnetischen Beld (im folgenden 25 Koe), welches von parallel zur Neßrichtung nach
senkrecht zur Meßrichtung rotiert wird.
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Der Ausdruck "dynamische Magnetostriktion" bezeichnet die erste Ableitung
der Magnetostriktion nach dem Feld.
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Es muß bemerkt werden, daß für praktische Zwecke ein Material mit
der größten Magnetostriktion nicht immer in einem speziellen Fall am geeignetsten
ist, da es hinsichtlich sekundärer Eigenschaften nachteilig sein kann. In den meisten
Fällen werden magnetostriktive Materialien als Wandler verwendet. Dabei sollte das
Material korrosionsfest sein und geringstmögliche Wirbelstromverluste aufweisen,
sowie eine geringe magnetische Anisotropie haben.
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Es hat sich gezeigt, daß die tertiären und quarternären Systeme bevorzugt
sind, insbesondere bevorzugt sind die tertiären Systeme, da sie die größte Magnetostriktion
bei geringen Feldstärken aufweisen, wie z. 3. bei etwa 5 Koe oder weniger. Diese
Systeme zeigen auch die größte dynamische Magnetostriktion, insbesondere im Vergleich
zu binären Materialien der Formel RxT x Es ist bevorzugt, daß solche Systeme Tb
oder-Er als seltenes Erdelement oder als eines der seltenen Brdelemente, falls mehr
als ein seltenes Erdelement vorhanden ist, umfassen. Vorzugsweise sollten Tb oder
Er in derartigen Mehrkomponentensystemen einen Atombruchteil von (D,I - 0,5 des
magnetostriktiven Materials ausmachen. Es ist ferner bevorzugt, Be al8 einziges
Übergangsmatall oder als eines der übergangsmetalle vorzusehen, wenn mehrere Ubergangsmetalle
im System vorhanden sind. Es ist bevorzugt, daß in derartigen Mehxkomponentensystemen
Fe einen Atombruchteil von 0,5 - 0,9 des magnetostriktiven Materials ausmachen sollte.
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Bei der Auswahl der Kombinationen der seltenen Erdmetalle ist es bevorzugt,
keine seltenen Erdelemente zu kombinieren, welche eine entgegengesetzte Polarität
der Magnetostriktion aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, seltene Erdelemente zu
kombinieren, welche entgegengesetzte magnetische Anisotropie aufweisen. Je geringer
die Anisotropie ist, umso leichter kommt man zu großer Magnetostriktion bei geringen
Feldstärken.
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Im folgenden sei die Polarität der Magnetostriktion der seltenen Erdmetalle
angegeben: Ce + Pr + Nd + Sm -Gd nahezu O Tb + Dy + Eo + Er -Tm -Yb -Y nahezu 0.
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Beispiele bevorzugter ternärer Systeme sind im folgenden angegeben:
Tb.9Dy.1Fe2 Tb.8Dy.2Fe2 Tb.7Dy.3Fe2 Tb.6Dy.4Fe2 Tb.5Dy.5Fe2 Tb.4Dy.6Fe2 Tb.3Dy.7Fe2
Tb.2Dy.8Fe2 Tb.1Dy.9Fe2 TbFe1.6Hi.4 TbFe1.6Co.4 TbFe1.6Mn.4 TbFe1.6Co0.4 TbFe1.6Ni0.4
Gd0.3Tb0.7Fe2
Die Magnetostriktion der folgenden Systeme wurde bei
25 Koe und bei etwa 300 oK gemessen: Tb0,8 Dy0,2 Fe2 1997 x 10'6 Tb0,7 Dy0,3 Fe2
1634 x 10-6 Tb0,4 Dy0,6 Fe2 1478 x 10'6 Tb0,3 Dy0,7 Fe2 1453 x 1016 TbFe1,6 Co0,4
1491 x 10-6 TbFe1.6Ni0.4 1095 x 10-6 Gd0,3 Tb0,7 Fe2 1267 x io6 Die erfindungsgemäßen
magnetostriktiven Materialien können mit verschiedenen nicht-metallischen Materialien
kombiniert sein, wie z. B. mit verschiedenen thermoplastischen oder wärmehärtbaren
Kunstharzen, welche als Binder für das System dienen, oder als Mittel zur Herabsetzung
der Wirbelstromverluste. Es hat sich gezeigt, daß Epoxyharze in dieser Hinsicht
besonders günstig sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Diese Beispiele beziehen sich auf physikalische Mischungen der magnetostriktiven
Materialien in Suspension in einem oder in mehreren Übergangemtallen.
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Beispiel 1 40 Gewichtsprozent ErFe2 und 60 Gewichtsprozent Ni werden
zu Granulat verpresst. Das Granulat wird bei 1 000 °C wälrend 5 h gesintert. Bei
Zimmertemperatur zeigt dieser Korper eine Magnetostriktion von -77 x 10 t.
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Beispiel 2 TbFe2 und Be werden in Pulverform vermischt und zu Granulat
verpresst. Das Gewichtsverhältnis von TbFe2 zu Fe beträgt 40 bis 60. Das Granulat
wird bei etwa 950 a während etwa 5 h gesintert. Die Magnetostriktion dieses Materials
beträgt bei Zimmertemperatur 350 x 10-6.
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Bei der Herstellung von Körpern unter Verwendung einer Mischung eines
Materials der Formel RxT 1-x mit einem Ubergangsmetall ist es bevorzugt, daß das
magnetostriktive Materials der Formel RXT x etwa 20 - 70 Gewichtsprozent der Gesamtmischung
ausmacht.