DE2232613A1 - Verfahren zur verbesserung des magnetisierungsverhaltens, insbes. aller schwer und sehr schwer magnetisierbaren permanentmagnetischen ferro-, ferri-magnetmaterialien zur erzielung hoher flussdichten b tief m (g) und feldstaerken h tief m (oe) bei gleichzeitiger sehr erheblicher einsparung an nutzbarem, teurem magnetmaterial - Google Patents
Verfahren zur verbesserung des magnetisierungsverhaltens, insbes. aller schwer und sehr schwer magnetisierbaren permanentmagnetischen ferro-, ferri-magnetmaterialien zur erzielung hoher flussdichten b tief m (g) und feldstaerken h tief m (oe) bei gleichzeitiger sehr erheblicher einsparung an nutzbarem, teurem magnetmaterialInfo
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Description
Verfahren zur Verbesserung des Magnetisierungsverhaltens
insbesondere aller schwer und sehr schwer magnetisierbaren permanentmagnetischen Ferro-, Ferri-Magnetmaterialien zur
Erzielung hoher Plußdichten Bw (G) und Feldstärken H^ (Oe)
- bei gleichzeitiger sehr erheblicher Einsparung an nutzbarem, teuren Magnetmaterial.
Zur Erläuterung des Verfahrens seien zunächst einige notwendige
Berechnungshinweise und magnettechnische Beziehungen angeführt, die bei der Dimensionierung von Dauermagneten zur Erzielung
möglichst hoher Flußdichten (oder Induktionen) an den Polen bzw«, Feldstärken auf den Polflächen von Dauermagnetstäben zu beachten
sind.
Das Verhältnis I^/D" bedeutet: Lw gestreckte Länge des Dauermagneten
(cm), dividiert durch den Durchmesser D.. (cm) des Kreisquerschnittes
von runden Stabmagneten bzw. bei eckigen, ovalen oder anderen Dauermagnet-Querschnitten der Durchmesser D„ des aus
solchen Querschnitten umgerechneten Kreisquerschnittes.
Das Produkt L·.,Hw bedeutet: Magnetmotorische Kraft MMK, bzw.
magnetische Spannung, Leitwert oder Widerstand an den Polflächen des Dauermagneten, wobei die Feldstärke EL· (Oe) die Gegenfeldstärke
des Dauermagneten im Arbeitspunkt auf der Zustandskurve seiner Magnetmaterial-Qualität der Hysteresisschleife ( 2. Quadrant )
darstellt.
Das Produkt L1 .EL. bedeutet: Wie vorher die wirksame magnetische
Spannung, jedoch des in einem Magnetsystem mit Eisenrückschlüssen eingebauten Dauermagnetstabes im Arbeitsspalt des von beiden Polen
gebildeten Spaltabstandes, wobei L,- die Länge (cm) des Arbeitsspaltes und EL die Feldstärke (Oe) im Arbeitsluftspalt eines
Magnetsystems sind. Wertmäßig ist bei sehr engen Arbeitsluftspalten,
von Magnetsystemen IL-ifc? BL, wobei BL (G) die Flußdichte im Arbeitsspalt
zwischen den Polen bedeutet.
Es besteht dann die Beziehung zwischen der magnetischen Spannung des Dauermagnetstäbes und der wirksamen magnetischen Spannung dieses
Dauermagnetstabes, eingebaut in ein Magnetsystem
· HM = LL * HL bzW· % · ffL = H ' BL·
30988A/07Q9 ~2~
Diese Formel "beinhaltet die gesamte magnetische Spannung im
Magnetkreis eines Magnetsystems.
Die Beziehung 1^·% : kennzeichnet den Gesamtfluß φ Max (Maxwell)
des Dauermagnetstabes, wobei R, die Flußdichte oder Induktion an den Polen und FM der Querschnitt des Dauermagneten in cm ist.
Die Flußdichte oder Induktion ist dann B1, (G) = φ /F,,.
Ti iges' M
Die erst langsame Entwicklung der Permanentmagnet-Materialien setzte vor etwa 100 JaHren mit der Herstellung reiner Kohlenstoff- ·'
magnetstähle ein und verlief dann immer schneller - bis nach dem ersten Weltkrieg - mit der Herstellung der legierten Kohlenstoffstahle
(legiert mit Cr, Go, Mo, Ni,. Wo), um dann immer stürmischer mit der Herstellung von isotropen ausscheidungsgehärteten Al-Ni und
Al-Ni-Co, bzw. von anisotropen ausscheidungsgehärteten, richtungsmagnetisierten
Al-Ni-Co-Magnetstählen zu verlaufen. In den letzten
20 Jahren setzte dann explosionsartig - sich den Markt erobernd -, die bisherigen Magnetstähle immer mehr in den Hintergrund der
technischen Verwendung drängend - die Herstellung isotroper, anisotroper und richtungsmagnetisierter, oxidischer, nicht metallischer
Barium (Ba-), Strontium (Sr-), Blei (Fb-)-Ferrite und anderer ähnlicher Ferrimagnetqualitäten ein, die verhältnismäßig billig
herzustellen waren.
Die fortschreitende Entwicklung der Ferromagnetstähle, bzw. der
keramischen, oxidischen Ferrimagnetmaterialien war in der Hauptsache
gekennzeichnet durch ein stetiges Ansteigen der jeweiligen Koerzitiv-Feldstärken
H (Oe) von 30 - 60 - 100 - 200 - 300 - 500 - 600 -Ί000 I5OO
- 2000 bis 4000 Oe bei gleichzeitiger Verringerung der Remanenzwerte Br, d.h., sie zeichneten sich durch eine immer höhere
magnetische Spannung Lw.HM an den Magnetpolen, anders ausgedrückt
durch einen immer höher werdenden spezifischen Magnetisierungswiderstand H längs der gestreckten Länge L. des Dauermagneten aus,
wobei die Flußdichte oder Induktionswerte an den Polen entsprechend immer kleiner wurden.
Das bedeutet, daß mit steigendem Magnetisierungswiderstand bzw. mit
steigender Spannung die Stablänge I^ des Dauermagneten entsprechend
der vorher beschriebenen Entwicklung der Dauermagnetqualitäten, immer kurzer wurden, um dann bei Magnetwerkstoffen, wie sie durch
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durch die keramischen,oxidischen Ba-Sr-Fb-Ferriten (H -~1000 bis ·
2000 Oe) beispielsweiseüberwiegend gekennzeichnet sind.zu flachen Scheiben, Platten bzw. bei der metallischen Co-Fe-Pt-Legierung
(H 4-000 Oe) zu Folien zusammenschrumpfen mit kleinen bzw. sehr
kleinen magnetischen Längen L,, die senkrecht zur Scheiben-, Plattenoder
Folien-Ebene magnetisiert sind.
Verfahren . Für die gemeinfaßliche Darstellung und Dokumentation
des Verfahrens als Ausführungsbeispiel wurden oxidische Bariumferritmagnete der Qualität Ba-Fe^00 in anisotroper, richtungsmagnetisierter
Qualität verwendet (gekennzeichnet durch den absteigenden Ast des Entmagnetisierungsbogens im 2. Quadranten seiner
Hysteresisschleife, siehe Abb.l Bl. I). Das LtV}/D™ dieser Qualität
ist wegen der schweren Magnetisierbarkeit mit K./D.. ;ς ^'5ot)4-"mal
vorgeschrieben. Für die Versuchsanordnungen zur leichteren Magnetisierung
und gleichzeitiger Einsparung von teurem Magnetmaterial, also zur besseren Ausnutzung des eingesetzten Magnetmaterials zur
Erreichung hoher Flußdichten und Feldstärken wurden einmal Dauermagnetplatten mit einem Querschnitt 9,8 χ 9,8 cm, mit einer Magnetlänge 2,5 cm und einer Mittelbohrung für die Befestigung 1,6 cm 0
und das andere Mal weichmagnetisch^ Platten mit höherer Permeabilität
als bei den Maenetplatten mit gleichem Querschnitt, aber mit
verschiedenen Dicken (cm) wie beispielsweise Weicheisen der Qualitäten St. 34, St. 37, St. 60, Armco-Eisen und andere weichmagnetische
Qualitäten verwendet.(Abb. 2 Bl.I ). Die Dicken der weichmagnetischen
Flatten wurden für die Versuche mit 1 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm und 4 cm
ausgewählt. Der Kreisdurchmesser D., der dauermagnetischen Platten,
umgerechnet aus dem eckigen Magnetquerschnitt, beträgt 11 cm, die
Länge der Magnetplatte nach Abb.2 Bl.I 2,5 cm; das ergibt dann ein
Verhältnis L^AU = 0,44. Das Verhältnis L^/D™ dieser Magnetplatte
liegt also innerhalb des vorgeschriebenen Verhältnisses dieser Magnetqualität L^ . 0,5optimal·
Als Vergleichsmöglichkeit wurden bei der Magnetisierung zunächst nur
Dauermagnetplatten nach Abb. 2 Bl.I, also 1, 2, 3 .... bis 16 Magnetplatten aneinandergereiht zur jeweiligen Erreichung einer bestimmten
Magnetlänge bis zu max. 40 cm Bauhöhe aufgebaut und die jeweils sich
aus den einzelnen Dauermagnetplatten ergebenden Magnetlängen zur Bestimmung ihrer magnetischen Kenndaten in Bezug auf die jeweiligen
Flußdichten oder Induktionen R. (G.)t durch Abziehen einer Spule aus
der neutralen Zone der jeweiligen Map-net st ablängen zu den Polen hin -
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bzw. in Bezug auf die Feldstärken H (Oe) - durch Abtasten mit der
Hall'-Sonde auf den Flächen der jeweiligen Magnetpole - gemessen.
Zur Verbesserung des Magnetisierungsverhaltens wurden bei den aneinandergereihten
Magnetplatten nach dem Verfahren Zwischenlagen
leicht magnetisierbarer Werkstoffe gleichen Querschnitts wie die
Dauermagnetplatten, vorzugsweise weichmagnetische Eisenplatten
höherer Permeabilität'( beispielsweise aus St.34, St.37, St.60,
Armco-Eisen oder andere weichmagnetische Qualitäten, jedoch mit den verschiedensten Dicken-Unterschieden 1 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm und 4 cm) verwendet. Die gesamte graphische Versuchsanordnung für die magnetischen Messungen der Flußdichten oder Induktionen By(G) und
leicht magnetisierbarer Werkstoffe gleichen Querschnitts wie die
Dauermagnetplatten, vorzugsweise weichmagnetische Eisenplatten
höherer Permeabilität'( beispielsweise aus St.34, St.37, St.60,
Armco-Eisen oder andere weichmagnetische Qualitäten, jedoch mit den verschiedensten Dicken-Unterschieden 1 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm und 4 cm) verwendet. Die gesamte graphische Versuchsanordnung für die magnetischen Messungen der Flußdichten oder Induktionen By(G) und
der Feldstärken H,ff(0e) ist aus den Abbildungen 3 bis 8 Bl. II
JVi
für die zu vergleichenden kombinierten Magnetstsbe (Dauermagnetplatten
mit Zwischenlagen von weichmagnetischen Platten mit dem
Magnetstab mit 16 Magnetplatten ohne Zwischenlagen) ersichtlich.
Die jeweiligen Magnetlängen können am Maßstab der Abbildungen
Magnetstab mit 16 Magnetplatten ohne Zwischenlagen) ersichtlich.
Die jeweiligen Magnetlängen können am Maßstab der Abbildungen
3 bis 8 auf Bl. III abgegriffen werden. In den Abbildungen 4, 5,
6, 7 und 8 sind kombinierte Anreihungen von jeweils abwechselnd
Dauermagnetplatten nach Abb. 2 Bl.I gleicher Magnetlänge von 2,5 cm und weichmagnetische Platten gleicher Ouerschnittsabmessungen wie bei den Dauermagnetplatten Abb. 2 Bl.I, jedoch mit den verschiedensten Dicken 1 cm Abb. 4, 2 cm Abb.5, 2,5 cm Abb.6, 3 cm Abb.7 und
6, 7 und 8 sind kombinierte Anreihungen von jeweils abwechselnd
Dauermagnetplatten nach Abb. 2 Bl.I gleicher Magnetlänge von 2,5 cm und weichmagnetische Platten gleicher Ouerschnittsabmessungen wie bei den Dauermagnetplatten Abb. 2 Bl.I, jedoch mit den verschiedensten Dicken 1 cm Abb. 4, 2 cm Abb.5, 2,5 cm Abb.6, 3 cm Abb.7 und
4 cm Abb.8 Bl.II dargestellt. Die Gesamtbauhöhe dieser kombinierten
Magnetstäbe wurde aus Vergleichsgränden der magnetischen Messungen jeweils ungefähr auf - die gleiche Bauhöhe von 40 cm wie bei Abb.3 Bl.I
wo der Magnetstab nur aus 16 aneinandergereihten Dauermagnetplatten besteht, gebracht. Die Megnetisierungsrichtung in allen Fällen der
Abb. 3 bis 8 war dieselbe, also wie die Magnetisierung eines einheitlichen Magnetstabes von Nord—»-Süd in einer Richtung.
Die gefundenen Meßergebnisse der einzelnen Versuchsanordnungen
Abb. 3 bis 8 für die jeweiligen Mapnetstablängen sind kurvenmäßig für die Flußdichtewerte B und Feldstärkewerte H auf Bl.III graphisch aufge ζ e ichne t.
Abb. 3 bis 8 für die jeweiligen Mapnetstablängen sind kurvenmäßig für die Flußdichtewerte B und Feldstärkewerte H auf Bl.III graphisch aufge ζ e ichne t.
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Die oberen Kurvenscharen zeigen die Meßwerte der Flußdichten B (G),
die unteren Kurvenscharen die Feldstärkenwerte H (Oe) an. Die Η-Werte der Versuchsanordnungen auf Bl.II unter Abb. 4 bis 8
sind zweifach ermittelt worden und zeigen jeweils 2 Kurven unterteilt
in a und b, also Kurven Abb. 4a bis Abb. 8a und Abb. 4b bis
Abb-. 8b. Die Kurvenzüge unter Abb. 4a bis 8a geben die Meßwerte der oberen Deckplatte am Polende als Dauermagnetplatte, die Kurvenzüge
unter Abb 4-b bis 8b die Meßwerte der Deckplatte am oberen Polende als Weicheisenplatte an.
Beim Heraufloten bzw. Auswerten der einzelnen Stablängen L·, dieser
ungefähr 40 cm gleich langen kombinierten ( Dauermagnetplatten Weicheisenplatten
) Stabmagnetsäulen Abb. 4 bis 8 Bl.II im Vergleich zum Vollmagneten ( 16 Dauermagnetplatten aneinandergereiht ) Abb.3
Bl.II ist ersichtlich^ daß die Werte für B und H in allen Fällen,
besonders bei größeren Stablängen, den magnetischen Kenndaten des Vollmagneten ( 16 Dauermagnetplatten ) sehr nahe kommen. Das wäre
allerdings noch kein Vorteil, jedoch wenn man berücksichtigt, daß für die ungefähr 40 cm langen kombinierten Magnetsäulen der Abb.
4 bis 8 mit 1 cm dicken eisernen Zwischenplatten nur 11 Dauermagnetplatten, mit 2 cm dicken eisernen Zwischenplatten nur 8-9 Daüermagnetplatten,
mit 2,5 cm dicken eisernen Zwischenplatten nur
7-8 Dauermagnetplatten, mit 3 cm dicken eisernen Zwischenplatten nur 7 Dauermagnetplatten und mit 4 cm dicken eisernen Zwischenplatten
nur 6 Dauermagnetplatten notwendig sind, um die magnetischen Kenndaten zu erreichen. Das bedeutet eine jeweilige Einsparung zur
praktischen Erreichung .gleicher magnetischer Daten von ca. 31,3% bei einer 1 cm dicken Eisenplatte, ca. 48,2% bei einer 2 cm dicken
Fisenplatte, ca. 53»1% bei einer 2,5 cm dicken Eisenplatte,
ca. 56,2% bei einer 3 cm dicken Eisenplatte und ca. 62,5% bei einer 4 cm dicken Eisenplatte kostbaren Dauermagnetmaterials„ Da die
Flufidichtenwerte immer etwas mehr oder weniger niedr.iger liegen
als die Werte der Vollmagnete, könnte man zur 100%igen Angleichung z.B. 1 oder 2 Dauermagnete mit Zwischenstücken (Eisen) auf die jeweilige
Magnetlänge aufstocken«,
Entsprechende magnetische Zahlenwerte, wie bei den Flußdichten oder
Induktionswerten B (obere Kurvenscharen) sind aus den unteren Kurvenscharen für die erzielten Feldstärkenwerte H zu entnehmen»
Auch hier liegen die gefundenen Feldstärkenwerte H in der Nähe der
Werte der Vollmagnetsäule Abb.3 ( 16 Dauermagnetplatten ).
-6-
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Jedoch beim Vergleich der gemessenen Fe-ldstärken-Potentiale auf der
oberen Dauermagnet-Abdeckplatte am Polende der jeweiligen Magnetlängen
( Kurven der Abb. 3a bis 8a ) ergaben sich stets höhere Η-Werte als bei den geweiligen Magnetlängen, bei denen die Polabdeckplatten
aus Weicheisen bestanden. Die Diskrepanz der H-Werte ist umso größer, ,je dicker die Abdeck-Weicheisenplatten am Polende
( 1, 2, 2,5, 3, 4- cm ) werden. Es empfiehlt sich deshalb, als
Abdeckplatte unmittelbar auf das Polende entweder eine Dauermagnetplatte als Pol zu wählen, oder aber die Polabdeckplatte aus weichmagnetischem Material ( Polschuh ) möglichst dünn zu halten, die
Dicken der eisernen Zwischenplatten haben ,jedoch mit dem magnetischen
Verhalten der Polschuhplatten nichts zu tun. Sie dienen lediglich dem besseren Magnetisierungsverhalten bzw. der leichteren Magnetisierung
der schwer magnetisierbaren Dauermagnet-Werkstoffe. Weichmagnetische Eisenplatten als Polschuhplatten nach dem Beispiel
unseres Verfahrens sollten deshalb möglichst 5. sein als die Länge
der einzelnen Dauermagnetplatten, in unserem Falle also *[ 2,5 cm.
Es lassen sich nun mehrere solcher Dauermagnetsäulen nach dem vorliegenden
Verfahren, beispielsweise 2, 4, 6, 8 und beliebig mehr Säulen zu einer Stabgruppensäuleneinheit mit der gleichen Magnetisierungsrichtung
wie die einzelnen Dauermagnet stäbe Nord —^=- Süd
zusammenfassen, jedoch sollte die zusammengesetzte Stabeinheit N -*■ S
entsprechend den Gesetzen der Permanentmagnettechnik mit einem -^wZ-0M <
°»5 t' al ^i™1611315-0111611* werden, um optimale magnetische
Werte zu erhalten. Solche Gruppeneinheiten können dann wie gewöhnliche
Stahmagnete N—>S mit eisernen Rückschlüssen versehen für die
verschiedensten Magnetsystem-Konstruktionen Verwendung finden.
Zur Erläuterung des Verfahrens als Beispiel zur leichteren Magnetisierung,
Ausnutzung und Einsparung von teurem Dauermagnetmaterial wurde eine anisotrope, richtungsmagnetisierte Ba-Fe,00-Dauermagnetqualität
gewählt. Bei allen anderen Magnetqualitäten gilt die
gleiche Anwendungsmechanik wie beschrieben. Der größere magnetische Effekt, auch die Einsparung an teurem Magnetmaterial, wird jedoch
bei den schwer und sehr schwer magnetisierbaren Dauermagnetmaterialien
mit frohen Koerzitiv-FeldBtärken H erzielt, weil sich hier die Zwischenstufen aus höher permeablen Weicheisensorten besonders
erleichternd auf die Magnetisierung auswirken„
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Claims (7)
1. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zumindest
2 Dauermagnetstäbe bzw. plattenförmige Dauermagnetstäbe, die
abwechselnd mit Zwischenstufen aus höher permeablen weichmagnetischen Stoffen, insbesondere aus höher permeablem weichmagnetischem
Eisen zur leichteren Magnetisierung zu einer Magnetstab-Einheit N S aneinandergereiht zusammengebaut sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenstufen aus weichmagnetischem Material mit den Dauermagnet-Abmessungen
flächengleich kongruent sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Zwischenstufen verschiedene Höhen oder
Dicken aufweisen können.
4. Verfahren nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Dauermagnetstäbe oder Dauermagnetplatten und weichmagnetische
Zwischenstufen Befestigungsbohrungen aufweisen können.
5. Verfahren nach Anspruch 1,2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere solcher kombinierten Stabmagnete zu einer einheitlichen Gruppe gleicher Magnetisierungsrichtung N S zusammengefaßt
werden können.
6. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gruppe dieser kombinierten Stabmagnetstäbe die
weichmagnetischen Zwischenstufen der einzelnen Magnetstäbe je
nach Magnetlänge jeweils aus einer gemeinsamen weichmagnetischen Eisenplatte bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1,2,3,4,5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß 1 kombinierter Magnetstab oder eine Gruppe solcher Magnetstäbe gleicher Magnetisierungsrichtung N S in Eisenrückschlüssen
als Magnetsysteme wie normale Vollmagnet stäbe (ohne Zwischenstufen) N S eingebaut Verwendung finden
können.
3 09884/0709 -
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