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Elektrische Maschine zur Magnetisierung eines hohlzylin-
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drischen Dauermagneten Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine
mit einem eine zylindrische Bohrung aufweisenden äußeren Teil, der an seinem inneren
Umfang eine in Nuten liegende Wicklung trägt und einem zylindrischen, konzentrisch
zum äußeren Teil liegenden inneren Teil, der an seinem äußeren Umfang eine zweipolige,
über den Umfang verteilte, in Nuten eingebettete Wicklung trägt, wobei der äußere
und der innere Teil voneinander durch einen Luftspalt getrennt sind.
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Derartige elektrische Maschinen sind als Synchronmaschinen mit rotierendem
Turboläufer bekannt. Sie werden als Generatoren zur Umwandlung von mechanischer
Energie in elektrische Energie verwendet und sind z. B. aus dem Buch Moeller-Werr,
Leitfaden der Elektrotechnik", Band III, Teubner Verlag 1955, Seite 58 - 69 bekannt.
Sie können aber auch als Motoren eingesetzt werden.
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In einem Aufsatz der Zeitschrift "Nuclear Instruments and Methods",
169 (1980), Seite 4,5 ist ein hohlzylindrischer Dauermagnet beschrieben. Der Dauermagnet
besteht aus einem Dauermagnetwerkstoff mit wechselnder Vorzugsrichtung, der auch
in Vorzugsrichtung magnetisiert ist, wodurch der Dauermagnetwerkstoff orientiert
ist. Dieser hohlzylindrische Dauermagnet hat in seinem Innenraum ein homogenes Magnetfeld
und sein Außenraum ist feldfrei, wenn der Dauermagnetwerkstoff in jedem Punkt des
Dauermagneten verschieden orientiert ist. Diese Orientierung ist kompliziert und
durch eine komplexe Funktion mathematisch beschrieben. Der Autor des Aufsatzes zweifelt
daran, daß man eine derartige Orientierung des Dauermagnetwerkstoffes herstellen
kann. Er schlägt
daher vor,den Dauermagneten aus gleichartigen,
vormagnetisierten Segmenten zusammenzusetzen. Jedes Segment soll nur eine Orientierung
aufweisen, die von der Orientierung der bXenachbarten Segmente verschieden ist.
Der so erhaltene Dauermagnet nutzt den Dauermagnetwerkstoff schlechter aus, als
ein holzylindrischer Dauermagnet mit der oben erwähnten Orientierung, weiterhin
ist das Feld im Innenraum inhomogener und der Außenraum nicht mehr feldfrei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die einen hohlzylindrischen Körper aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert
ist, als Ganzes magnetisieren kann, derart, daß das Magnetfeld im Innenraum des
so erhaltenen hohlzylindrischen Dauermagneten angenähert homogen ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine elektrische
Maschine der eingangs beschriebenen Art so ausgebildet, daß der äußere Teil und
der innere Teil feststehend angeordnet sind, daß ein hohizylindrischer Dauermagnet,
insbesondere für Kernspintomographenlin den Luftspalt einführbar ist und daß die
Wicklung des inneren Teils angenähert sinusförmig verteilt ist, daß die Wicklung
des äußeren Teils ebenfalls eine zweipolige, über den Umfang angenähert sinusförmig
verteilte Wicklung ist, die mit der Wicklung des inneren Teils eine gemeinsame Wicklungsachse
hat.
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Die zweipolige, angenähert sinusförmig verteilte Wicklung des inneren
Teils und die zweipolige, angenähert sinusförmig verteilte Wicklung des äußeren
Teils, die mit der Wicklung des inneren Teils eine gemeinsame Wicklungsachse hat,
erzeugen, wenn sie von entgegengesetzten Strömen durchflutet werden, zwei angenähert
sinusförmig verteilte Strombeläge.
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Diese beiden Strombeläge magnetisieren einen hohlzylindrischen Dauermagneten
aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert ist und in den Luftspalt eingeführt
ist,
derart, daß das Magnetfeld im Innenraum des Dauermagneten nach
seiner Magnetisierung angenähert homogen ist. Da der Luftspalt so bemessen ist,
daß ein hohlzylindrischer Dauermagnet eines Kernspintomographen darin einführbar
ist, ist es durch diese ruhende elektrische Maschine möglich, hohlzylindrische Dauermagnete
aus Dauermagnetwerkstoff für die Kernspintomographie so zu magnetisieren, daß nach
der Magnetisierung im Innern des Dauermagneten ein angenähert homogenes Magnetfeld
herrscht. Weil der hohlzylindrische Dauermagnet aus nichtmagnetisiertem Dauermagnetwerkstoff
innerhalb des Luftspaltes der elektrischen Maschine als Ganzes magnetisiert wird,
ist die Herstellung eines derartigen Dauermagneten bedeutend einfacher als die Herstellung
des bekannten Dauermagneten aus Segmenten, die einzeln magnetisiert sind. Die Verwendung
eines hohlzylindrischen Dauermagneten aus Dauermagnetwerkstoff als Magnet eines
Kernspintomographen ist besonders vorteilhaft, da dort homogene Felder im Innenraum
des Magneten und ein möglichst feldfreier Außenraum gefordert werden.
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Die Abmessungen der elektrischen Maschine richten sich nach der Größe
des Dauermagneten. Der Außendurchmesser des inneren Teils der elektrischen Maschine
muß kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Dauermagneten sein, der sich bei
einem Kernspintomographen nach der Größe des zu untersuchenden Objektes richtet.
Der Bohrungsdurchmesser des äußeren Teils der elektrischen Maschine muß größer oder
gleich dem Außendurchmesser des Dauermagneten sein. Dieser ist bei gegebenen Innendurchmesser
des Dauermagneten abhängig von der Remanenzinduktion des Dauermagnetwerkstoffs und
der geforderten Induktion im Innenraum des Dauermagneten.
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Im folgenden sei der Begriff einer sinusförmig verteilten Wicklung
erläutert. Beim Gegenstand der Erfindung sind die sinusförmig verteilten Wicklungen
in Nuten an zylindrischen
Flächen angeordnet. Die Lage einer Nut
ist dabei durch den Umfangswinkel zur Nutmitte bestimmt, die Verteilung ist daher
eine Funktion des Umfangswinkels. Die Wicklungen sind in Nuten und nicht unmittelbar
an den zylindrischen Flächen angeordnet, da so die Spulen der Wicklungen festgelegt
sind.
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Eine Festlegung der Wicklung ist notwendig, da zwischen benachbarten
Leitern Kräfte auftreten, wenn sie vom Strom durchflossen werden.
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Eine sinusförmig verteilte Wicklung, die an einer zylindrischen Fläche
angeordnet ist, im weiteren als sinusförmig verteilte Mantelwicklung bezeichnet,
besteht aus in Reihe geschalteten Leitern gleichen Querschnitts, bei der die Zahl
der Leiter in einer Nut eine Funktion des Sinus des Umfangswinkels ist. Bei einer
zweipoligen sinusförmig verteilten Mantelwicklung liegt das Maximum der Leiterzahl
bei einem Umfangswinkel von 90- und 270'. Die Wicklungsachse ist die Verbindungslinie
der beiden Orte mit den Umfangswinkel von 0' und 180". Die Leiter, die auf Umfangswinkeln
zwischen 0' und 180' liegen, haben die gleiche Durchflutungsrichtung; die Leiter
zwischen 180' und 360 haben die dazu entgegengesetzte. Leiter in Nuten mit gleicher
Windungszahl, aber entgegengesetzter Durchflutung sind zu einer Spule verbunden.
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Wie bekannt ist, kann man eine Mantelwicklung aus Spulen gleicher
Weite oder aus Spulen ungleicher Weite, deren Mittelpunkte auf der Wicklungsachse
liegen, herstellen. Spulen ungleicher Weite sind jedoch vorzuziehen, da man kürzere
Wickelköpfe erhält, wodurch der Widerstand der gesamten Wicklung verringert ist
und der Aufwand für die speisende Spannungsquelle geringer ist, als bei Spulen gleicher
Weite.
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Um Inhomogenitäten des Magnetfeldes im Innenraum des hohlzylindrischen
Dauermagneten ausgleichen zu können, die z. B.
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durch Schwankungen in den Eigenschaften des Dauermagnetwerkstoffs
hervorgerufen werden, ist es sinnvoll, wenn beide
Wicklungen getrennt
voneinander gespeist sind. Dann können zur Korrektur des Magnetfeldes im Innenraum
die beiden Wicklungen unterschiedlich durchflutet werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn der innere Teil. und der äußere Teil aus
einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen. Dann kann der hohlzylindrische Dauermagnet
nach seiner Magnetisierung ohne großen Kraftaufwand aus dem Luftspalt entfernt werden,
da keine magnetischen Kräfte zwischen dem magnetisierten Dauermagneten und den Teilen
der elektrischen Maschine auftreten. Sind der äußere Teil und der innere Teil dagegen
aus einem weichmagnetischen Werkstoff, wie bei üblich ausgebildeten, eingangs beschriebenen,
elektrischen Maschinen, kann der Aufwand an den die Wicklung speisenden Quellen
verringert werden, weil nicht so hohe Magnetisierungsströme notwendig sind. Zweckmäßigerweise
ist dann der äußere Teil hohlzylindrisch ausgebildet, wodurch man eine zylindersymmetrische
Anordnung erhält.
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Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in der Figur der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Figur zeigt die vereinfachte Darstellung eines Querschnitts durch
eine gemäß der Erfindung ausgebildete elektrische Maschine.
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Für die Erfindung unwesentliche Teile der elektrischen Maschine, z.
B. die Ausbildung der Wickelköpfe und die Lagerung der feststehend angeordneten
Teile sind nicht dargestellt.
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Eine elektrische Maschine 1 weist einen hohlzylindrischen äußeren
Teil 2 auf, in dessen zylindrischer Bohrung ein konzentrisch zum äußeren Teil 2
angeordneter, zylindrischer innerer Teil 3 liegt. Weder der äußere Teil 2 noch der
innere Teil 3 laufen um, wie es sonst bei gewöhnlichen elektrischen
Maschinen
der Fall ist. Die Teile 2,3 sind feststehend angeordnet. Der innere Teil 3 ist vom
äußeren Teil 2 durch den Luftspalt 4 getrennt. Der Luftspalt 4 ist so bemessen,
daß ein hohlzylindrischer Dauermagnet eines Kernspintomographen darin einführbar
ist. Der äußere Teil 2 und der innere Teil 3 sind massiv und sie bestehen aus einem
nichtmagnetischen Werkstoff.
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Der äußere Teil 2 hat an seinem inneren Umfang 5 ebenso wie der innere
Teil 3 an seinem äußeren Umfang 6 radial gerichtete, in Längsrichtung der Maschine
verlaufende Nuten.
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Die Zahl der Nuten in den beiden Teilen 2,3 ist gleich. Die Nuten
im inneren Teil 3 und im äußeren Teil 2 sind jeweils gleichmäßig über den Umfang
5 bzw. 6 verteilt. Einer Nut des inneren Teils 3 liegt eine Nut des äußeren Teils
2 gegenüber. In den Nuten des äußeren Teils 2 und des inneren Teils 3 ist jeweils
eine sinusförmig verteilte zweipolige Wicklung 7 bzw. 8 eingebettet. Die Nuten eines
Teils 2,3 sind gleich breit, aber unterschiedlich tief und mit den Spulen einer
Wicklung 7,8 vollständig gefüllt.
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Die sinusförmig verteilten Wicklungen 7,8 bestehen aus in Reihe geschalteten
Spulen ungleicher Weite, deren Mittelpunkte auf der gemeinsamen Wicklungsachse 9
liegen. Die Spulen einer Wicklung 7,8 bestehen aus Leitern gleichen Querschnitts,
da sie vom gleichen Strom durchflossen werden.
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Weil es sich um angenähert sinusförmig verteilte Wicklungen handelt,
weisen die Spulen einer Wicklung 7,8 unterschiedliche Windungszahlen auf, so daß
die Nuten eines Teils 2 oder 3 unterschiedlich tief sind. Die Nuten im inneren Teil
3 sind tiefer und schmaler als im äußeren Teil 2, weil am Umfang 5 des äußeren Teils
2 mehr Platz zur Verfügung steht, wodurch man, um den gleichen Strombelag wie am
Teil 3 zu erreichen, die Spulen des Teils 2 flacher und breiter als die Spulen des
Teils 2 herstellen kann.
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Die Wicklungen 7, 8 werden bei der Aufmagnetisierung des hohlzylindrischen
Dauermagneten aus Dauermagnetwerkstoff, der nicht vormagnetisiert ist, getrennt
gespeist. Dadurch können auch unterschiedlich große Strombeläge erzielt werden,
wodurch Schwankungen in den Eigenschaften des Dauermagnetwerkstoffs ausgeglichen
werden können. Die Durchflutungsrichtung während der Magnetisierung in den einzelnen
Spulenseiten ist durch Punkte bzw. Kreuze dargestellt.
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5 Ansprüche 1 Figur