DE3615630C2 - Magnetostriktiver Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Wandler mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Ein derartiger Wandler ist aus der Internationalen Patentver­ öffentlichung WO 85/02084 (A1) bekannt. Zunächst seien zum besse­ ren Verständnis der Erfindung folgende allgemeine Betrachtun­ gen vorausgeschickt:

Eine magnetische Vorspannung magnetostriktiver Materialien ist erforderlich, um ein lineares Frequenzverhalten zu er­ zeugen und die maximale Anspannbarkeit des Materials auszu­ nützen. In Abwesenheit einer Vorspannung beträgt die Ausgangs­ signalfrequenz das Zweifache der Eingangs-Antriebsfrequenz auf­ grund der Tatsache, daß in jedem magnetostriktiven Werkstoff die Anspannung entweder positiv oder negativ ist, unabhängig von der Polarität des Antriebssignales. In Abwesenheit der Vorspannung ist also der elektromagnetische Kopplungskoeffizient des Wandlers und damit sein Wirkungsgrad sehr niedrig.

Magnetostriktive Werkstoffe wie Nickel und Nickellegierungen wie Permendur wurden als Antriebselemente in Wandlern vor der Entwicklung piezoelektrischer polarisierter Titanate verwendet. Vor 1946 wurden magnetostriktive Ringwandler nicht mit Flächen oder Massen belastet. Vielmehr wurden ihre Wechselstrom-Anre­ gungswicklungen und Gleichstrom-Polarisationswicklungen ring­ artig auf laminierte Ringstapel oder spiralig aufgewundene Streifen aus Nickel oder Permendur aufgewickelt. Permanentmag­ nete wurden nur selten in Verbindung mit in Serie angeordneten vorgespannten magnetostriktiven Ringen oder Schleifen mit gleichförmiger Querschnittsfläche verwendet. Diejenigen Ring- oder Schleifenanordnungen, welche mit Permanentmagneten vorge­ spannt wurden, im allgemeinen Magneten aus der Legierung Alnico-5 oder aus gesintertem Eisenoxid, verwendeten Magneten mit einer Querschnittsfläche größer derjenigen der magneto­ striktiven Bauteile. Diese besonderen Magnete waren seinerzeit die besten auf dem Markt, würden jedoch leicht durch die magne­ tische Induktion aufgrund des Wechselstromsignales entmagneti­ siert. Die bekannte Magnetanordnung mußte nicht in besonderer Weise gestaltet werden, um die Flußverteilung auf die magneto­ striktiven Bauelemente zu konzentrieren, da die Permeabilität des Magneten bedeutend niedriger war als diejenige der magneto­ striktiven Elemente. Der Luftspalt zwischen dem Magneten und dem magnetostriktiven Element mußte minimal gehalten werden, was bedeutete, daß der Magnet charakteristischerweise unmittel­ bar neben dem magnetostriktiven Element anzuordnen war und die Anregungswicklung wurde dann so aufgewickelt, daß sie den Magneten und das magnetostriktive Element umschlang. Die Mag­ nete mußten daher mit Kupfer umkleidet werden, um sie vor einer Entmagnetisierung aufgrund der durch das Wechselstromsignal er­ zeugten Kraftflüsse zu schützen. Ungünstigerweise konnten selbst große Ringanordnungen bekannter magnetostriktiver Bauelemente keine ausreichend großen Verschiebungsbewegungen erzeugen, um nutzbare akustische Leistung am unteren Ende des Tonfrequenz­ spektrums bereitzustellen.

In jüngerer Zeit besteht erhöhtes Interesse an magnetostriktiv angetriebenen Wandlern, seit magnetostriktive Werkstoffe aus den Seltenerdenmetallen entwickelt wurden, die Samarium, Terbium und Dysprosium enthalten. Eines der besten Seltenerdenmetall­ werkstoffe auf dem Markt besitzt die Zusammensetzung Tb_0,3 Dy_0,7 Fe₂. Die neuartigen Legierungen haben außerordentlich starke magnetostriktive Anspannbarkeit, so daß bedeutend höhere akustische Leistungen am unteren Teil des Frequenzspektrums abgenommen werden können. Ungünstigerweise haben die neuartigen Werkstoffe eine sehr niedrige Permeabilität und lassen sich daher nur mit Schwierigkeit magnetisch vorspannen. Bisher hat man die Vorspannung in der Weise vorgenommen, daß ein Wechsel- Antriebsfeld und ein Gleichstrom-Vorspannungsfeld einander überlagert wurden und geeignete passive Sperrelemente vorge­ sehen wurden, um die Wechselstrom-Antriebsquelle und die Gleich­ stromquelle voneinander zu trennen. Beide Stromquellen speisen eine gemeinsame Wicklung, welche das magnetostriktive Element umgibt. Das magnetostriktive Element ist im allgemeinen in Stabform ausgebildet und besitzt eine Kornorientierung in Längs­ richtung des Stabes, um die Anspannung je Einheit magnetomoto­ rischer Antriebskraft, welche dem Stab zugeführt wird, zu maximieren. Die Bauart mit einer solchen gemeinsamen Wicklung zur Vor­ spannung des magnetostriktiven Materials bewirkt eine Wärme­ entwicklung in der Wicklung und im magnetostriktiven Stab, wodurch die vom Wandler abnehmbare Leistung herabgesetzt wird.

Aus der eingangs genannten Internationalen Patentveröffent­ lichung ist es nun bekannt, die magnetische Vorspannung mittels einer Permanentmagnetanordnung aus Permanentmagneten zu er­ zeugen, die jeweils an die Stirnflächen stabförmiger magneto­ striktiver Bauelemente angesetzt und mit diesen mechanisch zusammengespannt sind, wobei die Permanentmagnete so gepolt sind, daß in den stabförmigen magnetostriktiven Bauelementen jeweils längsgerichtete magnetische Vorspannfelder erzeugt werden. Die stabförmigen magnetostriktiven Bauelemente umschlin­ gende und mit einem Wechselstromsignal beaufschlagte Wicklungen umschlingen bei der bekannten Konstruktion nicht auch die von den Permanentmagneten eingenommenen Bereiche, doch werden diese Bereiche von magnetischen Feldern vergleichsweise hoher Intensität an den Stirnflächen der genannten Wicklungen durch­ setzt, so daß auch bei der bekannten Wandlerkonstruktion die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht. Andererseits ist das zur magnetischen Vorspannung dienende, in Längsrichtung der stabförmigen magnetostriktiven Bauelemente gerichtete Magnetfeld der Permanentmagneten wegen der geringen Permeabilität der magnetostriktiven Bauelemente an ihren Enden bei der bekannten Konstruktion bedeutend konzentrierter als im hinteren Längenabschnitt, was zu einer entsprechend gleich­ förmigen Längsverteilung der magnetischen Vorspannwirkung führt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen magnetostriktiven Wandler mit den Merkmalen der Oberbegriffes von Patentanspruch 1 so auszugestalten, daß die Kraftflußdichte des magnetischen Vorspannfeldes in Längsrichtung der stabför­ migen magnetostriktiven Bauelemente vergleichmäßigt wird und die Permanentmagnetanordnung besser vor der Einwirkung des Magnetfeldes der anregenden Wicklungen geschützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Die Gestalt und die relative Orientierung der Permanentmagneten bestimmen die Größe der Kraftflußdichte, welche über den magne­ tostriktiven Stab hin gleichförmig verteilt ist. Die Quer­ schnittsfläche der Enden der Magneten ist vorzugsweise gleich groß wie die Querschnittsfläche der Enden des jeweiligen magne­ tostriktiven Stabes, so daß die Streuflußdichte minimal gehalten ist und eine maximale Gleichförmigkeit der Flußdichte innerhalb des magnetostriktiven Stabes erzielt wird. Die Magnete sind außerhalb der Wicklung angeordnet, die zur Wechselstrombeauf­ schlagung des magnetostriktiven Stabes dient, so daß Verluste hinsichtlich des Kopplungskoeffizienten aufgrund von Wirbel­ strömen minimal sind und auch minimale Induktanzableitungen auftreten, welche anderenfalls in größerem Maße aufträten, wenn die Magneten innerhalb der Erregerwicklungen angeordnet wären.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüchen gekennzeichnet.

Einige Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines magnetostriktiven Wandlers der hier angegebenen Art,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen magnetostriktiven Wandler gemäß einer anderen Ausführungs­ form mit zur Vorspannung dienenden Dauer­ magneten auf der Innenseite der Wandler­ konstruktion und

Fig. 3 eine wieder andere Ausführung der Perma­ nentanordnung im inneren Teil der magneto­ striktiven Bauelemente oder Stäbe.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt sowie teilweise in Explosionsdarstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines magnetostriktiven Wandlers, der mit 10 bezeichnet ist. Der Wandler 10 enthält Abstrahlungsmassen 11, magnetostriktive Stäbe 12, Permanentmagnete 13, elektrische Wicklungen 14 und Spanndrähte 15. Die magnetostriktiven Stäbe 12 sind vorzugsweise mit einer Längsorientierung ihres Korns ver­ sehen und bestehen aus Seltenerdenmetall, wobei die Material­ zusammensetzung Tb_0,3 Dy_0,7 Fe₂ vorgezogen wird. Jeder Stab ist elektrisch von dem benachbarten Stab 12 des Stapels 12′ von Stäben isoliert, um Verluste aufgrund von Wirbelströmen zu vermeiden. Jeder Stabstapel 12′ hat an seinen Enden Kontakt mit Eckblöcken 16, so daß die Anordnung von Stapeln 12′ und der Eckblöcke 16 ein Quadrat bildet. Jeder Stapel 12′ von Stäben ist mit einer elektrischen Wicklung 14 versehen, welches den Stapel umschlingt, so daß eine Beaufschla­ gung der Wicklung mit elektrischem Wechselstrom ein alternieren­ des Antriebsfeld in dem Stapel hervorruft. Die Gleichstrom- Vorspannungsinduktion für jeden Stapel 12′ wird durch einen Magneten 13 erzeugt. Jeder der Magnete 13 ist benachbart einer jeweiligen Wicklung 14 angeordnet und außerhalb derselben ge­ legen, wobei die Wicklung 14 jeweils den Stapel 12′ von Stäben umschlingt und zu dessen Beaufschlagung mit einem mag­ netischen Gleichfeld dient. Die Magnete haben die Eigenschaft, daß sie auf hohe Polstärken magnetisiert werden können und nahezu immum gegenüber einer Depolarisierung durch magnetische Wechselfelder sind. Samarium-Kobalt-Magnete liefern sehr zu­ friedenstellende Ergebnisse für die Bereitstellung des zur Vorspannung dienenden magnetischen Gleichfeldes, das von den magnetostriktiven Stäben 12 benötigt wird. Diese Permanentmagneten haben Permeabilitäten nahe derjeniger von Luft. Gleiches gilt für die magnetostriktiven Stäbe 12. Aufgrund der niedrigen Permeabilität der magnetostriktiven Stäbe 12 haben die einander benachbarten Enden der Magneten 13 gleiche Polarisation. Der Fluß von den gleichpolarisierten Enden jedes der Magneten 13 ist jeweils gegeneinander gerichtet, so daß ein magnetischer Rückflußweg außerhalb des Magneten gefördert wird. Ein Teil des äußeren Flusses jedes Magneten verläuft durch und längs des Stapels 12′ der magnetostriktiven Stäbe zu dem anderen Ende des be­ treffenden Magneten, wo sich der magnetische Schließungskreis durch den Magneten hindurch vervollständigt. Die Eckblöcke 16 sind aus nichtmagnetischem Werkstoff, beispielsweise aus rost­ freiem Stahl gefertigt. Die Länge und die Höhe der Magneten 13 ist vorzugsweise gleich der Länge und der Höhe der Stapel 12′ aus magnetostriktivem Material. Die gekrümmten Flächen 13′′ der Magneten 13 hat sich als zweckmäßig erwiesen zur Erzeugung einer gleichförmigeren Feldverteilung längs der Länge der Stapel 12′ gegenüber anderen Formen von Magneten. Die gekrümmte Oberfläche 13′′ ist vorzugsweise ein Teil einer elliptischen Oberfläche. Die Oberfläche 13′′′ der Magneten 13 ist flach, und wie zuvor schon angemerkt, der elektrischen Wicklung 14 zugekehrt. Man hat durch Experimente festgestellt, daß für eine Magnetanordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, die magneti­ sche Flußdichte an den Enden der Stäbe der Stapel 12′ etwa 50% größer ist als die magnetische Flußdichte im Zentrum des Stabes. Optimal wäre eine magnetische Flußdichte, welche über jeden magnetostriktiven Stab 12 hin konstant ist. Eine nicht­ konstante Flußdichte bewegt den Betriebspunkt für jeden der magnetostriktiven Stäbe längs der B-H-Kurve für den magneto­ striktiven Stab in solcher Weise, daß das Maximum des Wechsel­ stromfeldes und damit das Maximum der akustischen Ausgangs­ leistung, welches zugeführt bzw. welches erzeugbar ist, ver­ mindert wird, bevor Sättigung auftritt. Die Länge der Magneten 14 ist vorzugsweise gleich der Länge jedes der magnetostriktiven Stäbe 12 des Stapels 12′, um die gleichförmigste Längsverteilung der Flußdichte in den Stäben 12 der Stapel 12′ zu erreichen.

Die Magnete 13 sind außerhalb der Wicklungen 14 angeordnet, um die Wirbelstromverluste in den Magneten 13 herabzusetzen, welche durch das Wechselfeld der Wicklungen 14 hervorgerufen werden. Die Abstrahlungsmassen 11 werden an den Eckblöcken 16 mittels Schrauben 11′ befestigt, welche in Gewindebohrungen 16′ der Eckblöcke 16 eingeschraubt sind. Die abstrahlenden Massen 11 haben jeweils Außenflächen 11′′, die jeweils ein Viertel einer Zylinderfläche sind, so daß dann, wenn sämtliche vier Abstrah­ lungsmassen 11 an den jeweiligen Eckblöcken 16 befestigt sind, der sich ergebende Wandler zylindrische Gestalt hat. Jede der abstrahlenden Massen 11 ist elastisch mit den benachbarten Massen 11 verbunden, was durch Federmittel 17 geschieht, welche den Zwischenraum 18 zwischen den Massen 11 ausfüllen. Der Teil des Spaltes 18 zwischen den Federmitteln 17 und der Außenfläche 11′′ ist durch eine Wasserdichtung 19, etwa aus Polyurethan, abgeschlossen, welche zusammen mit einem wasser­ dichten oberen Abschluß und Bodenabschluß in Form eines flexiblen Deckels (nicht dargestellt), die an die abstrahlenden Massen 11 angesetzt sind, zu einem Wandler 10 mit wasserdich­ tem Innenraum führt. Die Abdeckungen (nicht dargestellt) ge­ statten den Eintritt eines Kabels zur Halterung oder Aufhän­ gung des Wandlers 10 und zum elektrischen Anschluß an die Teile im Innenraum des Wandlers. Spanndrähte 15 sind mittels Schrauben 15′ zwischen den oberen Teilen und unteren Teilen benachbarter Abstrahlungsmassen 11 und parallel zu den Stapeln 12′ der magnetostriktiven Stäbe gespannt, um die magnetostrik­ tiven Stäbe 12 mit einer Druckkraft zu beaufschlagen und die Anordnung des Wandlers 10 zusammenzuhalten. Die Notwendigkeit, die magnetostriktiven Stäbe 12 mit einer Druckkraft vorzu­ spannen, ist dem Fachmann bekannt. Einzelheiten bezüglich der Verwendung der Spanndrähte 15 zur Aufbringung der Druckkraft sind in der US-Patentschrift 4 438 509 beschrieben. Wie in dieser Druckschrift ausgeführt ist, bewirken die Spanndrähte 15, welche drehbar an den in die Abstrahlungsmassen 11 eingeschraub­ ten Schrauben 15′ angeschlossen sind, daß eine Druckkraft auf jeden Stab des Stapels 12′ einwirkt. Die Abstrahlungsmassen 11 bestehen zweckmäßig aus einem nichtmagnetischen Material, etwa Aluminium, welches auch den Vorteil hat, daß es niedrige Masse besitzt. Die Magnete 13 üben eine Abstoßungskraft voneinander weg aus und werden von der Innenfläche 11′′′ der Abstrahlungs­ mittel 11 zusammengehalten und an ihrem Platz fixiert. Im Betrieb erhält der Wandler 10 eine Wechselspannung, die an jede der Wicklungen 14 angelegt wird. Für den Unipolarbetrieb des Wandlers 10, d. h., wenn die Abstrahlungsmassen 11 sich in Phase liegend in Radialrichtung bewegen, müssen die elek­ trischen Wicklungen 14 so gespeist werden, daß die Richtung des magnetischen Wechselstromflusses in jedem Stapel 12′ von magnetostriktiven Stäben relativ zur gleichbleibenden Fluß­ richtung aufgrund der Magneten 13 in jedem Stapel 12′ in Phase liegt.

Im Betrieb zeigt der Wandler 10 nach Fig. 1 mit der magne­ tischen Vorspannung durch Permanentmagnete etwas geringeren Wirkungsgrad als er erzielbar wäre, wenn ein Gleichstrom durch die Wicklungen 14 geleitet würde, um eine optimale Vorspannung zu erreichen, da die Magnete 13 eine geringere Gleichförmigkeit des gleichgerichteten magnetischen Feldes erzeugen.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine andere vorteilhafte Aus­ führungsform eines hier mit 20 bezeichneten magnetostriktiven Wandlers mit Permanentmagnetvorspannung der magnetostriktiven Stäbe 12. Der Wandler 20 nach Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie der Wandler 10 nach Fig. 1, wobei einander entsprechende Teile auch mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Der Wandler 20 nach Fig. 2 besitzt zusätzlich zu den bereits anhand von Fig. 1 beschriebenen Teilen eine Gruppe von inneren Permanent­ magneten 22, welche ebenso wie die Magnete des Wandlers nach Fig. 1 aus Samarium-Kobalt gefertigt sind. Die Magnete 22 befinden sich jedoch auf der Innenseite des Wandlers innerhalb eines nichtmagnetischen Behälters 23, der mindestens vier ein­ ander gegenüberliegende Wände 23′ aufweist. Beispielsweise be­ steht der Behälter 23 aus rostfreiem Stahl. Der Behälter ist etwas kleiner als die von den elektrischen Wicklungen 14 gebil­ deten Innenwände, doch ist der Behälter jedenfalls groß genug, um die Magnete 22 aufzunehmen. Zwar sind in Fig. 2 die Magnete 22 einander berührend und von dem Behälter 23 im Abstand lie­ gend gezeichnet. Tatsächlich aber werden die Magnete aufgrund der entgegengesetzten Polarisation benachbarter Magnete vonein­ ander abgestoßen und durch die Abstoßungskraft gegen die Seiten­ wände des Behälters 23 gedrückt. Die Magnete 13 und 22 aufein­ ander gegenüberliegenden Seiten ein und desselben Stapels 12′ von magnetostriktiven Stäben besitzen gleichpolarisierte Enden, die einander benachbart sind.

Es sei bemerkt, daß die geometrischen Beschränkungen, denen die inneren Magnete 22 unterworfen sind, es erforderlich machen, daß sie kürzer als die magnetostriktiven Stäbe 12 sind. In dem Maße, in dem der magnetische Fluß 24, der von den äußeren Magneten 13 erzeugt wird, größere Fluß dichten an den Enden als im mittleren Teil der magnetostriktiven Stäbe 12 hervorbringt, bedingt die geringere Länge der inneren Magneten 22, daß eine größere Gleichförmigkeit der Kraftflußdichte in den magneto­ striktiven Stäben 12 erzeugt werden kann, da der von den kür­ zeren Magneten 22 erzeugte Fluß größer im mittleren Bereich der Stäbe und kleiner an ihren Enden ist. Da jeder magneto­ striktive Stab 12 unter dem Einfluß des magnetischen Feldes sowohl des zugehörigen inneren Magneten 22 als auch des zuge­ hörigen äußeren Magneten 13 steht, kann der magnetische Fluß mindestens der inneren Magneten 22 reduziert werden, um eine gleichförmigere Flußdichte im magnetostriktiven Stab 12 zu er­ reichen, welche annähernd die Hälfte der Sättigungsflußdichte für jeden Stab 12 ist. Die kleinere Flußdichte für jeden Magnet kann auch dadurch erreicht werden, daß die Fläche an den Enden 13′ und 22′ der Magneten 13 bzw. 22 verkleinert wird. Gemäß einer Alternative wird die Stärke, mit welcher die Permanent­ magnete 13 und 22 magnetisiert werden, reduziert und kann ver­ schieden gewählt werden, um eine größere Gleichförmigkeit der Flußdichte in Längsrichtung der magnetostriktiven Stäbe 12 sicherzustellen. Man erkennt, daß auch bei den inneren Magneten 22 die nach innen weisenden Flächen 22′ elliptisch geformt sind, während die den Wicklungen 14 zugewandten Flächen 22′′ flach sind. Selbstverständlich besitzen die Magnete 13 und 22 eine elliptische Kontur nur in der Umfangsrichtung.

Wie schon oben ausgeführt, sind die Abstrahlungsmassen 11, die Permanentmagnete 13 und die Eckblöcke 16 in Anlage aneinander gehalten, wenn die Schrauben 11′ und 15′ festgezogen sind, um die Wandlereinheiten 10 bzw. 20 nach Fig. 1 bzw. 2 herzustel­ len. Selbst nach Festziehen der Schrauben 21 ist der Spaltraum 18 noch vorhanden, um ausreichend Platz für die Umfangsänderung der Abstrahlungsmassen 11 zu lassen, wenn sie im Sinustakt eine radiale Ausdehnung und Zusammenziehung unter dem Einfluß des Wechselstromes in den Wicklungen 14 erfahren.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine wiederum andere Wandler­ konstruktion 29 zur Vornahme einer magnetischen Gleichstrom­ vorspannung der magnetostriktiven Stäbe 12. In Fig. 3 haben die Permanentmagnete 30 trapezförmige Gestalt und passen, wie zuvor ausgeführt wurde, in den Behälter 23. Die Magnete sind in dem Behälter 23 so eingesetzt, daß gleichgepolte Magnetpole nebeneinander liegen. Ihre wechselseitigen Abstoßungskräfte drängen die Magnete gegen die Seitenwände des Behälters 23 und halten sie dadurch in ihrer Lage. Eine charakteristische Kraft­ flußlinie 31, welche von den trapezförmigen Magneten 30 erzeugt wird, ist in Fig. 3 eingezeichnet. Die von den Magneten 30 in den magnetostriktiven Stäben 12 erzeugte Kraftflußdichte ist ausreichend gleichförmig, so daß eine zufriedenstellende Wir­ kungsweise eines mit solchen trapezförmigen Magneten 30 ausge­ rüsteten Wandlers erreicht wird, ohne das äußere Magnete 13 entsprechend den Fig. 1 und 2 vorgesehen werden müßten.

Eine größere Gleichförmigkeit der Flußdichte in den magneto­ striktiven Stäben 12 von Fig. 3 kann jedoch noch so erreicht werden, daß Permanentmagnete 13 an den Außenflächen der Wick­ lungen 14 angesetzt werden, wenn dies gewünscht wird. Dem Fachmann bietet sich in Kenntnis der zuvor beschriebenen Aus­ führungsformen eine Anzahl weiterer Möglichkeiten, um die hier angegebenen Konstruktionsprinzipien zu verwirklichen. Beispiels­ weise kann mit anderen Formen von Permanentmagneten eine noch größere Gleichförmigkeit des Vorspannungs-Magnetfeldes in den magnetostriktiven Stäben erreicht werden. Außerdem kann die hier angegebene Konstruktion zur magnetischen Vorspannung magnetostriktiver Stäbe in sogenannten Tonpilz-Wandlern und anderen Wandlerarten eingesetzt werden, welche nicht zylindri­ sche Form besitzen.

Claims (15)

1. Magnetostriktiver Wandler mit mindestens einem paramagne­ tischen magnetostriktiven Bauelement (12, 12′), mindestens einer dieses umschlingenden Wicklung (14) zur Erzeugung einer magnetomotorischen Kraft in dem magnetostriktiven Bauelement aufgrund eines Wechselstromsignales, weiter mit einer Permanent­ magnetanordnung (13, 22) zum magnetischen Vorspannen, welche einen magnetischen Kraftfluß innerhalb und entlang des bzw. jedes magnetostriktiven Bauelementes (12) erzeugt, sowie mit einem Massekörper (11), der mit dem bzw. jedem magnetostriktiven Bauelement verbunden ist und akustische Energie abstrahlt, wenn die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, um eine alternierende magnetomotorische Kraft zu erzeugen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung (13, 22) min­ destens einen eine Längserstreckung in derselben Richtung wie das magnetostriktive Bauelement (12, 12′) aufweisenden Perma­ nentmagneten (13) enthält, der plankonvexe Gestalt besitzt, wobei die ebene Oberfläche an die Wicklung (14) angrenzt und die konvexe Oberfläche sich in der Längserstreckung des Permanentmagneten wölbt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Bauelement (12, 12′) ein Seltenerdenmetall zumindest enthält.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Bauelement (12, 12′) die Zusammensetzung Tb_0,3 Dy_0,7 Fe₂ hat.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mindestens eine Permanentmagnet (13) aus Samarium-Kobalt besteht.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die konvexe Oberfläche des mindestens einen Per­ manentmagneten (13) Teil einer elliptischen Zylinderfläche ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mindestens eine Permanentmagnet (13) ein Stabmagnet mit entgegengesetzt gepolten Enden ist, daß das magnetostriktive Bauelement (12, 12′) im wesentlichen dieselbe Länge wie der Stabmagnet hat und mit seinen Enden von den Enden des Stabmagneten durch die zwischendurch verlaufende Wicklung (14) getrennt ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine bzw. jeweils eine Anzahl von Permanentmag­ neten in Gestalt von Stabmagneten (13, 22) sich längs des bzw. jedes magnetostriktiven Elementes (12, 12′) erstreckend um dieses herum angeordnet sind, wobei gleichnamige Pole der Stab­ magneten sich in der Nähe jeweils eines Endes des magnetostrik­ tiven Bauelementes befinden.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Mehrzahl von magnetostriktiven stabförmigen Bauelementen (12, 12′) aus Seltenerdenmetall vorgesehen ist, daß jedem der stabförmigen magnetostriktiven Bauelemente eine umschlingende Wicklung (14) zur Erzeugung einer alternierenden magnetomotorischen Kraft durch Wechselstrombeaufschlagung zuge­ ordnet ist und daß die Enden eines stabförmigen magnetostrik­ tiven Bauelementes jeweils an die Enden benachbarter magneto­ striktiver Bauelemente angrenzen, daß weiter eine Anzahl von zugehörigen Permanentmagneten (13) mit entgegengesetzt gepolten Enden vorgesehen ist und daß die Polarität benachbarter Pole der Permanentmagneten gleich ist.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das bzw. jedes magnetostriktive Bauelement (12, 12′) aus einer Mehrzahl von Stabelementen (12) aufgebaut ist, welche voneinander elektrisch isoliert sind.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Permanentmagneten (22), welche sich längs jeweils eines magnetostriktiven Bauelementes erstreckend auf derjenigen Seite der Wicklung (14) gelegen sind, die von den Permanentmagneten plankonvexer Gestalt abgewandt ist und gleiche magnetische Polung wie diese relativ zu den zugehörigen stabförmigen magne­ trostriktiven Elementen haben.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die paramagnetischen magnetostriktiven Bauele­ mente (12, 12′) als Stäbe derart an Eckblöcken (16) befestigt sind, daß die Eckblöcke in Aufsicht die Ecken eines Quadrates bilden, dessen Seiten die magnetostriktiven Stäbe bilden, daß die Permanentmagneten mit entgegengesetzt magnetisch polari­ sierten Enden jeweils neben die Wicklungen (14) derart ange­ setzt sind, daß gleichnamig magnetisch gepolte Magnetstabenden jeweils einem Eckblock benachbart sind, daß fernerhin eine Mehrzahl von Massekörpern (11) vorgesehen ist, die jeweils der­ art an zugehörigen Eckblöcken befestigt sind, daß sich eine zylindrische Außenfläche ergibt, daß Spanndrähte (15) zwischen benachbarten Massekörpern (11) gespannt sind, um eine Druckver­ spannung der magnetostriktiven Stäbe zu erreichen, derart, daß bei Speisung der Wicklungen (14) mit einem Wechselstrom eine alternierende Radialbewegung der zylindrischen Außenfläche des Wandlers erzeugt wird.

12. Wandler nach Anspruch 10 und Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Innenbehälter (23) mit quadratischem Grund­ riß vorgesehen ist und daß mindestens einige der Permanentmag­ neten innerhalb des Behälters so angeordnet sind, daß die in den Ecken gelegenen Magnetstabenden gleiche magnetische Polung haben, wobei sich die Magneten so abstoßen, daß sie nach außen gegen die Wände des Behälters gedrückt werden und wobei der Behälter in den Raum innerhalb der die magnetostriktiven Stäbe umschlingenden Wicklungen (14) eingesetzt ist.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (23) aus paramagnetischem Werkstoff besteht.

14. Wandler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Behälter (23) befindlichen Stabmagneten an ihren Endflächen einen Winkel von 45° gegenüber den Wänden des Be­ hälters einschließen und daß sich die Magneten bis in die Ecken des Behälters hinein erstrecken (Fig. 3).

15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Behälters (23) befindlichen Permanentmagneten an ihren Enden Polflächen mit einer Oberfläche haben, die im wesent­ lichen gleich der Oberfläche der Enden der magnetostriktiven Stäbe ist.