DE3785252T2 - Magnetostriktives antriebsmodul. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetrostriktive Einheit einer Art, welche einen Stapel aufeinandergelegter Teile aus permanentmagnetmaterial und magnetostriktivem Material aufweist.
• Die US-Patentschrift 4 104 549 beschreibt ein magnetisches Ferrit für magnetostriktive Vibratoren und ein magnetostriktives Vibratorelement unter Verwendung des Magnet-Ferrites. In einem Beispiel enthält dieses bekannte Vibratorelement eine magnetostriktive Einheit in Gestalt eines Stapels aufeinandergelegter Teile aus Permanentmagnetmaterial und magnetostriktivem Material mit einem einzigen Zylinder aus Magneteisenerzferrit,mit deren oberer und unterer Stirnfläche ringförmige Vorspannmagneten in Kontakt sind. Diese Anordnung ist zwischen einem Paar ringförmiger Spannplatten mittels eines Stabes eingespannt, der sich durch den Stapel erstreckt, welcher von der oberen Spannplatte, dem oberen Vorspannmagnet, dem Ferritzylinder und dem unteren Vorspannmagnet gebildet ist, wobei der Stab mit einem Gewinde in die untere Spannplatte eingreift und eine Spannmutter auf das untere Ende des Stabes auf geschraubt ist. Eine Wechselstrom- Erregerspule ist um den Ferritzylinder gelegt.
• Magnetostriktive Lanthan-Legierungen, beispielsweise Terfenol-D (eingetragenes Warenzeichen), (d. h. Tb&sub3;Dy&sub7;Fe1.9), sind in der Lage, über dem fünffachen der rms-Spannung, wie sie von den nächstkommenden piezokeramischen Materialien erzeugt werden, und über dem Zehnfachen der rms-Spannung, wie sie von den nächstkommenden nichtlanthaniden magnetostriktiven Legierungen (d. h. Nickel) erzeugt werden, zu erzeugen. Da die akustische Ausgangsleistung, welche von einem Unterwasserwandler erzeugt wird, proportional zu dem Quadrat der Spannung ist, kann dies in einem großen Vorteil bezüglich der Leistungserzeugungskapazität führen. Zusätzlich weisen Lanthaniden, beispielsweise Terfenol-D, geringere Schallgeschwindigkeiten auf als nichtlanthanide magnetostriktive Legierungen und piezokeramische Materialien und sie haben das Siebzehnfache der thermischen Leitfähigkeit von piezokeramischen Materialien, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat-Acht. Die niedrige Schallgeschwindigkeit wirkt in Richtung einer Verbesserung der Bandbreite und erniedrigt die Resonanzfrequenz, während die hohe thermische Leitfähigkeit auf eine Verbesserung der Leistungsverarbeitung und eine Erhöhung des erzielbaren Arbeitszyklus zielt. Der Grad, zu dem diese Vorteile angemessen ausgenützt werden können, hängt von der Überwindung verschiedener Probleme ab, welche aus der Wandlerkonstruktion resultieren, was auf bestimmten eigentümlichen Eigenschaften des Lanthanid-Materials beruht.
• Terfenol-D hat eine relative Permeabilität von nur 4 oder 5, was mindestens eine Größenordnung niedriger ist als bei magnetostriktiven Nickellegierungen. Zusätzlich werden aus Gründen der Zweckmäßigkeit von Länge und Kosteneffektivität verhältnismäßig kurze Längen des Materials verwendet. Die Kombination einer niedrigen Permeabilität und eines niedrigen Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Terfenol-D- Stäbe resultierte in nicht gleichförmigen Vorspannungs- und Antriebsfeldern bei herkömmlichen Wandlerkonstruktionen, was zur Ausnützung nur eines Teiles des Materials und zu ungleichförmigen Spannungen in dem Material führte. Demagnetisierungseffekte und Streuflüsse bewirken eine Neigung zu Erhöhung der Streuinduktivität und verschlechtern die Wandlerkopplung. Das niedrige Verhältnis von Länge zu Durchmesser führt zu Streuflüssen, die ihren Weg in metallische Wandlerteile finden, wo Wirbelströme und Hystereseverluste den Umwandlungswirkungsgrad herabsetzen.
• Zum Unterschied gegenüber piezokeramischen Materialien, welche vorpolarisiert sind, erfordern Terfenol-D und andere Lanthanid-Legierungen ein Polarisierungsfeld, da sie magnetisch weich sind und für eine lineare Wirkungsweise nur ungenügende Remanenzfelder aufrechterhalten. Im Falle von Terfenol-D kann das Polarisationsfeld entweder durch eine mit Gleichstrom gespeiste Spule oder durch Permanentmagneten erzeugt werden. Wenn Gleichstrom zur Erzeugung des Vorspannfeldes eingesetzt wird, so kann er einer Wechselstromerregungsspule überlagert werden oder kann durch eine gesonderte Spule geleitet werden. Wenn getrennte Wechselstrom- und Gleichstrom-Leistungsquellen eingesetzt werden und die Ströme in einer Spule einander überlagert werden, so ist eine große Drossel erforderlich, um den Gleichstrom durchzulassen und eine Beaufschlagung der Gleichstromquelle durch die Wechselstromquelle zu vermeiden. Außerdem ist ein großer Kondensator erforderlich, um den Wechselstrom durchzulassen und den Gleichstrom daran zu hindern, die Wechselstromquelle zu erreichen. Wenn gesonderte Wicklungen den Wechselstrom und den Gleichstrom führen, entfällt das Erfordernis eines Kondensators, aber eine große unhandliche Drossel in Serie mit der Gleichstromwindung ist immer noch erforderlich, da die beiden Wicklungen aufgrund der transformatorischen Wirkung der beiden konzentrischen Spulen, welche magnetisch um einen gemeinsamen Kern gelegt sind, miteinander gekoppelt sind.
• Das Erfordernis von gesonderten Gleichstrom- und Wechselstrom-Leistungsquellen kann durch verschiedene Festkörper- Verstärkerkonstruktionen beseitigt werden, doch kranken diese Konstruktionen in ähnlicher Weise von dem Erfordernis unhandlicher Magnetausrüstungen, beispielsweise schwerer Spartransformatoren. Zusätzlich resultieren sämtliche Gleichstrom-Vorspannungseinrichtungen in starken thermischen Belastungen, welche auf den Wandler einwirken, und welche viele der möglichen Vorteile, die durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Antriebsmaterials erreicht werden, zunichte machen. Der Gesamt-Wirkungsgrad wird nicht nur durch die Gleichstromleistung, die in dem Wandler vernichtet wird, vermindert, sondern auch aufgrund von Gleichstrom-Übertragungsverlusten, die in den Gleichstrom-Energiezuführungskabeln auftreten, insbesondere, wenn die Kabellängen beträchtlich sind.
• Die Alternative zur Einführung einer Strom-Vorspannung ist die Vorspannung mittels Permanentmagneten. Gemäß dem Stande der Technik werden die Kosten der Permanentmagnetvorspannung im allgemeinen einhergehen mit vermindertem Wechselstrom- Wirkungsgrad, verminderter Wandlerkopplung und verminderter Gesamt-Wandlereffektivität. Der Wechselstrom-Wirkungsgrad wird im allgemeinen dadurch vermindert, daß die Permanentmagneten auch eine sehr niedrige Permeabilität haben und dadurch den magnetischen Leitwert des magnetischen Kreises vermindern. Demzufolge sind größere magnetomotorische Kräfte (größerer Wechselstrom-Erregungsstrom) erforderlich, um eine gegebene Induktion zu erzeugen, was in erhöhten Wicklungsverlusten resultiert. Auch Wirbelstrome in den Magneten erzeugen zusätzliche Verluste und das Permanentmagnetmaterial muß mit Abschirmungsmetall abgeschirmt werden, um eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten durch das Wechselstrom- Erregerfeld zu vermeiden. Als Ergebnis von Wirbelströmen werden große Mengen von Energie in der Magnetabschirmung vernichtet, was im allgemeinen in einer katastrophalen Verminderung des Wirkungsgrades resultiert. Der niedrige magnetische Leitwert des Wechselstrom-Magnetkreises führt zu einer größeren Streuung, was zu zusätzlichen Verlusten aufgrund des Streuflusses führt, der in die metallischen Teile des Wandlers eintritt. Auch werden große Energiemengen in den Permanentmagneten gespeichert, wodurch die Streuinduktivität erhöht wird, was den elektrischen Gütefaktor erhöht und die Wandlerkopplung vermindert. Wenn die Permanentmagneten nicht in optimaler Weise angeordnet sind, wird das magnetostriktive Antriebsmaterial höchst wahrscheinlich nicht gleichförmig vorgespannt, so daß das Antriebsmaterial schlecht ausgenützt wird, so daß einige Bereiche ungenügend vorgespannt und andere nahe der Sättigung vorgespannt sind.
• Demgemäß garantiert die Verwendung von Permanentmagnetmaterial gemäß dem Stande der Technik nicht notwendigerweise selbst einen hohen Wirkungsgrad oder eine Verbesserung der Gesamtfunktion.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine magnetostriktive Einheit der zuvor eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß aufeinandergelegte Teile eine Mehrzahl erster Scheiben aus Permanentmagnetmaterial zur Erzeugung eines permanenten Vorspannungsgleichfeldes und eine Mehrzahl von zweiten Scheiben aus magnetostriktivem Material enthalten und daß die Scheiben aus Permanentmagnetmaterial und magnetostriktivem Material zu Bildung eines Stapels aufeinandergelegt sind und daß weiter jede der ersten und zweiten Scheiben aus elektrisch voneinander isolierten Abschnitten besteht.
• Ein magnetostriktives Antriebsmodul mit einem Paar von magnetostriktiven Einheiten entsprechend der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Einheiten Seite an Seite in einem magnetischen Schließungskreis angeordnet sind, der durch ein Paar den Fluß rückführender Polstücke aus Material hoher magnetischer Permeabilität vervollständigt ist, wobei jedes Polstück einander benachbarte Enden der genannten Stapel überbrückt und Blechpakete aus dem genannten magnetischen Material enthält; und durch ein jeweiliges Solenoid um jeden der genannten Stapel zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen Wechselfeldes innerhalb des jeweiligen Stapels.
• Die zuvor erwähnten Probleme bei dem Stande der Technik werden überwunden und andere Ziele und Vorteile von Lanthanid- magnetostriktiven Materialien werden erzielt durch einen magnetostriktiven Wandler und seine Antriebseinheiten, die aus aufeinandergelegten Permanentmagnetscheiben und Scheiben hoch anspannender magnetostriktiver Materialien, welche einen Stapel solcher aufeinandergelegter Materialien bilden. Zwei solche Stapel Seite an Seite liegend werden mit ihren magnetischen Schließungskreisen durch den Fluß rückführende Polstücke hoher Permeabilität vervollständigt. Jeder Stapel ist von einem elektrischen Solenoid umgeben, welches ein im wesentlichen gleichförmiges Wechselfeld innerhalb des jeweiligen Stapels erzeugt. Jeder Stapel hat sich in Längsrichtung erstreckende ebene Trennflächen, die im wesentlichen parallel zu dem Wechselfeld in jedem Stapel, das durch das Solenoid erzeugt ist, verlaufen. Diese ebenen Trennflächen vermindern die Wirbelstromverluste innerhalb der gestapelten Materialien. Die Polstücke zur Rückleitung des Flusses sind aus dünnen Blechen aus Stahl hoher Permeabilität laminiert, die elektrisch voneinander getrennt sind, um in gleicher Weise Wirbelstromverluste herabzusetzen, die von dem Wechselfeld erzeugt werden. Die Stahlbleche sind durch einen nichtmagnetischen Endblock zusammengespannt, in welchen die Stahlbleche eingesetzt und dort festgelötet sind. Die aneinanderliegenden Flächen der Polstücke und der Stapel sind flachgeschliffen und glatt, so daß in ihrem Verbindungsbereich minimale Luftspalte vorhanden sind. Die Anregung der Solenoide ist phasenmäßig so gewählt, daß jeder Stapel im Gleichtakt sich ausdehnt und zusammenzieht, um eine Relativbewegung der Endstücke zu erzeugen. Die äußersten Flächen der Endstücke sind in Kontakt mit Kolbenmassen des Wandlers, für den die Baueinheit ein Antriebselement ist. Die Kopfmassen, oder Kolbenmassen und die Endblöcke sind flachgeschliffen, so daß zwischen ihnen ein guter Kontakt hergestellt ist. Die Permanentmagnetscheiben sind aus einem Magnetmaterial gebildet, welches einen hohen magnetischen Fluß erzeugt und dessen Remanenz widerstandsfähig gegenüber der mangnetomotorischen Kraft des angelegten magnetischen Wechselfeldes ist. Samarium-Kobalt hat sich für diesen Anwendungsfall als zweckmäßig erwiesen. Die magnetostrikitven Scheiben sind beispielsweise aus einem Lanthanid-Material hergestellt. Terfenol-D ist bevorzugt, welches eine hohe Anspannung je Einheit der magnetomotorischen Wechselstrom-Kraft hat.
• Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf Wandler für die Übertragung von Schallenergie und insbesondere auf selbstvorgespannte Wandler mit Antriebsstapeln, welche aus aufeinandergegelegtem Material von Magneten hoher Remanenz und magnetostriktivem Material hoher Anspannung bestehen, um Schallenergie hoher Leistung und hoher Wirksamkeit zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die zuvor angesprochenen Gesichtspunkte und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Wandlers ist, der Antriebsmodule nach der Erfindung enthält;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Antriebsmoduls nach der Erfindung ist;
• Fig. 3 und 4 Querschnittsdarstellungen des Antriebsmoduls nach Fig. 2 sind;
• Fig. 5 eine Explosionsdarstellung des Antriebsmoduls nach Fig. 2 ist;
• Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform des Antriebsmoduls der Erfindung ist; und
• Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Antriebsstapels des Antriebsmoduls nach den Fig. 2 und 6 darstellt.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung, teilweise im Querschnitt, eines Tonpilz-Wandlers 60, in welchem die Antriebsmodule 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet sind. Der Wandler 60 enthält eine Kopfmasse 61 (charakteristischerweise Aluminum) und eine Rückenmasse 62 (charakteristischerweise rostfreier Stahl), die jeweils mit Ausnehmungen 63, 64 versehen sind, in welche die Endblöcke 5 der Module 10 eingelassen sind. In Fig. 1 sind nur zwei Module 10 gezeigt. Es versteht sich jedoch, daß so viele Module verwendet werden können, wie in dem Raum innerhalb des Wandlers 60 Platz finden. Eine Zugstab-/Tellerfederanordnung 65 erzeugt eine Druckkraft zwischen der Kopfmasse 61 und der Rückenmasse 62, um die Module 10 unter einer gewünschten Kompressionskraft zu halten. Eine Hülle 66, die mit der Kopfmasse 61 über eine vulkanisierte Kautschukdichtung 67 verbunden ist, ist mit dem Gehäuse 68 fest verbunden. Die Rückenmasse 62 hat ebenfalls Verbindung zu dem Gehäuse 68 über ein Druckentlastungsmaterial 69, welches mittels eines Gewinderinges 70 unter Druck gesetzt wird, der in das Gehäuse 68 eingeschraubt ist. Eine Rückenplatte 71, die eine Verbindeanordnung 72 enthält, ist mit dem Gehäuse 68 verbunden, um damit eine wasserdichte Abdichtung herzustellen. Der Raum 73, welcher durch die Endplatte 71 und die Rückenmasse 62 gebildet ist, bietet Platz für eine elektrische Abstimmungsschaltung (nicht dargestellt) und für die elektrische Verbindung der Module 10 mit den Adern des Kabels 74 über den Verbinder 72. Die Drähte in dem Kabel 74 enthalten die Wechselstrom-Leistungszuführungsdrähte zur Speisung der Module 10 von einem Sender aus (nicht dargestellt) und können auch dazu verwendet werden, von den Modulen 10 detektierte Signale zu einem Empfänger (nicht dargestellt) zu übertragen. Die Rückenplatte 71 bildet eine wasserdichte Abdichtung mit dem Gehäuse 68 aufgrund des Vorhandenseins des Dichtungsmaterials 75, welches zwischen den Umfang der Rückenplatte 71 und dem Gehäuse 68 aufgrund des Anspannens der Schrauben 76 eingespannt ist. Das Innere des Wandlers 60 stellt so ein wasserdichtes Gehäuse dar, in welchem die Module 10 elektrisch so betätigt werden können, daß eine Bewegung der Kopfmasse 61 relativ zu der Rückenmasse 62 erzeugt wird. In einem Wandler, wie er beispielsweise durch den Wandler 60 nach Fig. 1 repräsentiert wird, ist der Antriebsmodul 10 akustisch mit der mechanischen Last gekoppelt, welche durch die Kopfmasse 61 und die Rückenmasse 62 gegeben ist, was durch gefettete Kopplungsverbindungen geschieht, welche durch die Ausnehmung 63 gebildet sind, in welche der Endblock 5 knapp eingepaßt ist. Die Paßfläche 20 des Endblockes 5 und der Grund der Ausnehmung 63 sind glatt und flach, so daß ein guter mechanischer Kontakt zwischen diesen zusammenpassenden Teilen erreicht wird. Die Kopplungsverbindungen werden durch ein mechanisches Vorspannsystem unter Druck gehalten, das die Zugstangenanordnung 65 enthält, in der der Zuganker 650 in die Kopfmasse 61 eingeschraubt ist und durch die Mutter 651 angespannt wird, welche die Tellerfeder 652 gegen die Rückenmasse 62 zusammendrückt. Die leicht bearbeitbare Anordnung 7 mit Endblock 5 und Polstück 4 des Moduls 10 erleichtert diese Art der mechanischen Kopplung. Die Modulkonstruktion gestattet die Antriebsanordnung mit den Modulen 10 leicht auszutauschen, falls irgendein Modulschadhaft wird.
• Es sei nun auf die Fig. 2 bis 5 Bezug genommen. In diesen sind eine perspektivische Darstellung, zwei Querschnittsdarstellungen und eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines magnetostriktiven Antriebsmoduls 10 mit einem Aufbau entsprechend der Erfindung gezeigt. Fig. 3 und 4 sind Querschnittsdarstellungen entsprechend den in den Fig. 4 bzw. 3 dargestellten Schnittlinien 1-1 und 2-2. Zwei magnetostriktive Stapel 11 sind für den Modul 10 vorgesehen. Jeder Stapel 11 enthält aufeinandergelegte laminierte Scheiben aus magnetostriktivem Material 1 und laminierte Scheiben aus Permanentmagnetmaterial 2. Jeder Stapel 11 ist mit Ausnahme seiner Enden durch eine Spule 3 umschlungen, welche mit einer Wechselstromquelle (nicht dargestellt) verbunden ist, um eine wechselnde magnetomotorische Kraft auf jeden Stapel 11 auszuüben. Die Permanentmagneten 2 in jedem Stapel 11 haben dieselbe Magnetisierungsrichtung und sind so angeordnet, daß die Stapel 11, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in entgegengesetzter Nord-Süd-Richtung gepolt sind. Der magnetische Weg wird dadurch vervollständigt, daß die Enden 110 der Stapel 11 in Kontakt mit Polstücken 4 sind, so daß der magnetische Kreis vollständig wird, der die Stapel 11 und die Polstücke 4 enthält. Die Polstücke 4 enthalten einen Stapel von 5,8 · 10&supmin;³cm (2 mil) Siliziumeisenstahlblechlagen. Diese Polstücke 4 finden Aufnahme in einem Endblock 5, beispielsweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, und sind in diesem Endblock 5 durch strukturelles Epoxy 6, beispielsweise das im Handel unter der Typenbezeichnung A-2/E erhältliche Material befestigt. Die Erregungsspulen 3 sind aus Hochtemperatur- Magnetdraht gewickelt, beispielsweise aus isoliertem Magnetspulendraht Nr. 18 AWG. Der Raum zwischen einem Stapel 11 und der Spule 3 ist mit Silikonkautschuk 8 erfüllt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Stapel 11 vor dem vorausgehend genannten Schritt und dem Einbau in den Modul 10 mit Silikonband (beispielsweise das im Handel erhältliche Moxness-Band) umwickelt. Der Silikonkautschuk dient zur Entkopplung der Spule 3 von dem Stapel 11, welcher vibriert, wenn die Spule 3 mit Wechselstrom erregt wird. Der Silikonkautschuk 8 dient auch zur Isolierung des Stapels von der Spule, zur Abstützung der Spule und zur Verbesserung der thermischen Leitung von der Spule zu dem Stapel.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten die Stapel 11 aus aufeinandergelegtem magnetostriktivem Material 1 und Permanentmagnetmaterial 2 jeweils Stapel aus Scheiben von Terfinol-D (oder einem anderen Lanthanid- Antriebsmaterial) und Scheiben aus Samarium-Kobalt-Permanentmagnetmaterial 2. Die Samarium-Kobalt-Magneten haben die Eigenschaft eines hohen Energieproduktes mit hoher intrinsischer Koerzitivkraft, so daß der Magnet nicht entmagnetisiert wird, sondern ein stabiles magnetisches Gleichfeld in dem magnetischen Kreis aufrechterhält, der die Stapel 11 und die Polstücke 4 umfaßt, obwohl große magnetische Antriebs-Wechselfelder und hohe Temperaturen in dem Stapel 11 herrschen, die durch die Spulen 3 erzeugt werden. Der magnetische Kreis wird durch ein Paar von Rückleitungswegen vervollständigt, welche durch die Polstücke 4 geschaffen werden, die aus verlustarmen, hohe Permeabilität besitzenden laminierten Silikoneisen bestehen, dessen relative Permeabilität annähernd 10&sup4; ist, oder die aus ähnlichem ferromagnetischem Material bestehen. Die Lagen 15 sind elektrisch voneinander durch einen Isolationslack 16 isoliert, wie dies im Transformatorenbau üblich ist und die Lagen sind sehr dünn (2,54·10&supmin;³ oder 5,08·10&supmin;³cm (1 oder 2mil) dick). Die Lagen 15 sind so orientiert, daß sie die gleiche Richtung haben wie der magnetische Fluß der megnetostriktiven Stapel. Diese Orientierung resultiert zusätzlich zu der Schaffung eines Weges niedrigen magnetischen Widerstandes bei niedrigen Wirbelstromverlusten in einem Polstück 4, das mechanisch in der Richtung von Längsschwingungen, die von dem Terfenol-D-Material 1 erzeugt werden, sehr starr ist, und dient zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit von dem magnetostriktiven Stapel 11 zu den Endblöcken 5. Wärme wird von den Endblöcken 5 zu der Kopfmasse 61 und der Rückenmasse 62 als Teilen eines in Fig. 1 gezeigten Wandlers 60 geführt. Die Kopfmasse befindet sich im Betrieb in thermischen Kontakt mit dem Meereswasser. Die aus Aluminium (oder nichtmagnetischem rostfreiem Stahl) bestehenden hohlen Endblöcke 5 dienen als Kapselung, in welche die Siliziumeisen-Blechpakete 15 mit strukturellem Epoxi 6 einzementiert sind. Die resultierende Anordnung 7 aus Polstück und Endblock hat nahezu dieselbe strukturelle Starrheit wie ein massiver Metallblock.
• Der selbst vorgespannte magnetostriktive Stapel 11, der in perspektivischer Darstellung in Fig. 5 gezeigt ist, wird so hergestellt, daß zunächst mittels einer Diamantsäge in Längsrichtung im wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisende zylindrische Stäbe aus Terfenol-D und aus unmagnetisiertem Samarium-Kobalt in Leisten 13, 14 von ungefähr 0,635 cm (1/4 Zoll) Dicke geschnitten werden. Jede Leiste hat ebene parallele Flächen, die durch den Schnitt erzeugt werden. Die Leisten 13 und 14 aus Terfenol-D und Samarium-Kobalt werden jeweils zusammengesetzt, so daß leicht elliptische Stäbe entstehen, wobei ein elektrisch isolierender Klebstoff 9 verwendet wird, beispielsweise das im Handel von General Electric erhältliche Material Type 7031. Die wieder zusammengesetzten Stäbe werden dann in Scheiben 1 aus Terfenol-D und Scheiben 2 aus Samarium-Kobalt zerschnitten. Scheiben aus Terfenol-D werden im Wechsel mit Scheiben aus Samarium-Kobalt aufeinander gelegt und durch strukturelles Epoxy 6, beispielsweise die im Handel erhältliche Type A-2/E, unter einem Druck von 444,8 bis 889,6 newton (100-200 pound) zusammen zementiert, was zur Bildung des Stapels 11 mit die Scheiben 1 und 2 verbindenden Epoxyfilmschichten 6 von 2,54·10&supmin;³cm (1mil) Dicke führt.
• Die maximale Dicke der Leisten aus Terfenol-D und Samarium- Kobalt bestimmt sich durch die zuzulassenden Wirbelstromverluste. Die charakteristische Frequenz (die Frequenz bei welcher die Skin-Tiefe das Zweifache der Dicke der Leiste ist) ist gegeben durch die Gleichung
• (2φ)/(πu(Dicke)²)
• , worin φ = spezifischer Widerstand von Terfenol-D = 6·10&supmin;&sup7;cin
• u = Permeabilität von Terfenol-D = 4u0
• u0 = Permeabilität von Luft.
• Der spezifische Widerstand und die Permeabilität von Samarium-Kobalt sind größenordnungsmäßig gleich denjenigen von Terfenol-D. Da die Permeabilität von Lanthanid-Legierungen und Samarium-Kobalt niedrig ist und der spezifische Widerstand hoch ist, ist die zulässige Dicke verhältnismäßig groß (∼=0,635cm (∼,25zoll)) relativ zu den Stahlblechlagen (∼=2,54·10&supmin;³ bis 5,08·10&supmin;³cm (1 bis 2 mil)) in den Polstücken 4, welche eine bedeutend höhere Permeabilität haben. Die Verminderung von Wirbel strömen hat den wünschenswerten Effekt einer Verminderung der wirbelstrombedingten I²R-Verlusten und auch der Verminderung der entgegengesetzten magnetomotorischen Kraft der nicht gleichförmigen Wirbelströme, welche wiederum eine nicht gleichförmige Flußverteilung bedingt.
• Die Anzahl der Leisten, ihre Dimensionierung und ihre Anordnung sind durch ein Optimierungsverfahren bestimmt, das ein endliches numerisches Differential-Computerprogramm verwendet, welche maxwell'sche Gleichungen löst und die magnetische Feldverteilung im magnetischen Kreis bestimmt. Die Konstruktion des selbstvorgespannten Antriebsmoduls 10 ist mit Bezug auf Streuinduktivität, die Größe des Streuflusses, magnetische Wechselstrom- und Gleichstrom-Feldstärken und Feldgleichförmigkeiten im gesamten magnetischen Kreis optimiert. Da die Permeabilität und die optimalen Gleichstrom-Vorspannungspunkte in Lanthanid-Magnetostriktivmaterialien eine Funktion einer auf gebrachten Anspannung sind, werden die Werte inkrementeller Permeabilitäten für den gesamten Bereich erwarteter Spannungsbedingungen in dem Wandler bei dem Optimierungsverfahren ausgenützt. Die Wechselstromfelder und Gleichstromfelder in dem selbst vorgespannten magnostriktiven Stapel 11 mit Lanthanid mit verteilten Samarium- Kobalt-Magneten 2 können sehr gleichförmig sein, wenn eine Kombination mit den Rückleitwegen hoher Permeabilität in dem magnetischen Kreis der Polstücke 4 erfolgt. Vor der Anordnung in dem magnetischen Kreis werden die magnetostriktiven Stapel 11 in ein starkes Magnetfeld (annähernd 15T (150 Kg)) gebracht, um die aufeinandergelegten Samarium-Kobalt-Scheiben 2 vollständig zu magnetisieren. Die selbst vorgespannten Stapel 11 werden mit dem Hochtemperatur-Magnetwicklungsdraht der Antriebsspulen 3 versehen, bevor sie mit den Polstücken 4 durch das oben erwähnte strukturelle Epoxyharz 6 verbunden werden, um den Modul 10 zu bilden.
• Fig. 5 ist eine Explosionsdarstellung, welche die Bauteile des Antriebsmoduls 10 für einen charakteristischen Antriebsmodul zeigt. Ein Antriebsmodul 10 enthält einen magnetischen Schließungskreis mit zwei Schenkeln. Der magnetische Fluß, der durch Wechselstromanregung der Solenoide 3 erzeugt wird, verläuft durch den magnetischen Kreis, welcher die solenoidumschlossenen Terfinol-/Samarium-Kobalt-Antriebsstapel 11, beispielsweise 7,62 bis 15,25 cm (3 bis 6 Zoll) lang und 2,54 cm (1 Zoll) oder mehr im Durchmesser; ferner Glasfiberscheiben 17, beispielsweise 15,24 · 10&supmin;³ cm (6 mil) dick von G 10-glasfiberverstärktem Harz, und Polstücke 4 hoher Permeabilität enthält, wie beispielsweise 5,08 · 10&supmin;³ cm (2 mil) Blechlagen aus Siliziumeisen. Die Scheiben 17, 17' sind nur gegebenenfalls vorgesehen, dienen aber, wenn sie verwendet werden, zur Isolierung der Stapel 11 von den Kopf- und Rückenmassen 61 bzw. 62, welche beim Betrieb des Wandlers 60 sich in Berührung mit Wasser befinden. Jede Antriebsspule 3 besteht typischerweise aus 700 bis 1400 Windungen von Hochtemperatur-Magnetwicklungsdraht der Meßgröße 18. Die Antriebswicklungen 3 sind so gewickelt, daß der von jeder Wicklung erzeugte Fluß sich um den magnetischen Kreis in Serie in der Richtung unterstützt. Die Modulkonstruktion stellt nahezu gleichförmige Wechsel strom-und Gleichstrom-Feldverteilungen sicher und minimiert die Entmagnetisierung- und Streueffekte. Die Silizium-Eisen-Polstückpakete 4 sind an den nichtmagnetischen Endblöcken 5 durch ein strukturelles Epoxy 6 (in Fig. 5 nicht dargestellt) festzementiert. Die Endblöcke 5 haben polierte Außenflächen 20 an ihren Enden, welche es ermöglichen, sie akustisch mit der Kopf- und Rückenmasse 61 bzw. 62 von Fig. 1 durch eine Fettverbindung aus Hochtemperaturfell 51 zwischen jeder der Endflächen 50 und den Ausnehmungen 63 und 64 der Massen 61 bzw. 62 zu koppeln.
• Typische Abmessungen in einem Stapel 11 für das Terfenol-D- Material 1 sind 2,54 cm (1 Zoll) im Durchmesser aufweisende Scheiben, 1,40 cm (0,55 Zoll) in der Länge für die innersten Scheiben und 0,699 cm (0,275 Zoll) in der Länge für die äußersten Scheiben jedes Stapels 11 von den Fig. 3 bis 5. Die Samarium-Kobalt-Permanentmagnetscheiben von Fig. 1 sind typischerweise 0,381 cm (0,150 Zoll) in der Länge gewählt. Jede Leiste ist 0,635 cm (0,25 Zoll) in der Dicke gewählt, gemessen in der Richtung quer zur Längsabmessung des Stapels 11. Wenn der Abschluß wie in dem Modul 10 durch Siliziumeisen-Polstücke 4 erfolgt, so ist die Wechselstrom- und Gleichstrom-Flußverteilung über den Stapel 11 hin ausreichend gleichförmig und frei von Streufluß, so daß ein Modul hohen Wirkungsgrades und mit großem Kopplungsfaktor geschaffen ist. Mit diesen typischen Abmessungen liegt die Veränderung der longitudinalen Wechselstromfelder und Gleichstromfelder innerhalb mehrerer Prozent (5 bis 10 %) über die selbst vorgespannte magnetostriktive Stapelanordnung 11 hinweg. Bei der Konstruktion des selbst vorgespannten Antriebsmoduls 10 sind die Polaritäten der selbst vorgespannten magnetostriktiven Stapel 11 so, daß der Nordpol eines Stapels und der Südpol des zweiten Stapels an derselben Endblock-/Polstückanordnung 7 festzementiert sind, um Staufelder zu vermeiden. Die Nordpol- und Südpolpolaritäten sind in Fig. 3 gezeigt. In entsprechender Weise sind die Antriebsspulen 3 so gewickelt, daß sie beide den Wechselstromfluß in derselben Richtung durch den magnetischen Kreis treiben, wenn sie entweder parallel oder in einer elektrischen Serienverbindung betrieben werden. Der polarisierende Gleichstromfluß wandelt also in einem Stapel 11 aufwärts und in dem anderen Stapel 11 des Moduls 10 abwärts und der Wechselstromfluß folgt dem selben Wege, dreht aber seine Richtung für jede Richtungsumkehr der Wechselstromanregung der Spulen 3 um. Die Module 10 zeigten bei Prüfung als Antriebselemente in Wandlern Gesamtwirkungsgrade, die mehrfach größer waren als diejenigen, die normalerweise bei Lanthanid- Antriebsgeräten nicht gestapelter Art nach dem Stande der Technik erzielt wurden. Zusätzlich sind die gemessenen Wechselstromwirkungsgrade sehr positiv im Vergleich mit den besten Wechselstromwirkungsgraden (d. h. Vernachlassigung der Gleichstromverluste), die bei den höchstentwickelten bekannten gleichstromvorgespannten magnetostriktiven Wandlern und in piezoelektrischen Wandlern erzielt werden. Diese günstigen Ergebnisse, welche durch die erfindungsgemäße Konstruktion erreicht werden, sind eine unmittelbare Folge der Verteilung der Samarium-Kobalt-Scheiben über den Terfenol-D-Stapel und der Verwendung der niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückschlußwege der Polstücke 5. Diese Technik resultiert in hochgleichförmigen Wechselstromfeldern und Gleichstromfeldern und einer vollen Ausnützung des Terfenol- D-Antriebsmaterials. Der Fluß wird so konzentriert, daß er in dem vorgesehenen magnetischen Kreis bleibt und zusätzliche Verluste aufgrund von Streufluß eliminiert werden. Die unabgeschirmten Samarium-Kobalt-Magneten 2 wurden hohen magnetischen Antriebs-Wechselfeldern in den Modulen 10 mit der Konstruktion nach der Erfindung für große Zeitdauer ausgesetzt, ohne daß eine Verschlechterung des magnetischen Gleichfeldes, das durch die Magneten erzeugt wird, oder eine Verschlechterung der gemessenen Wandlereigenschaften auftrat. Da die Samarium-Kobalt- Magnetscheiben 2 keine Abschirmung erfordern, werden in den Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 5 Verluste aufgrund von Wirbelströmen, die bei den herkömmlichen Abschirmungen erzeugt werden, vermieden. Der selbst vorgespannte Antriebsmodul 10 macht das Erfordernis eines Gleichstrom-Polarisationsfeldes und seiner einhergehenden Verluste, wie sie üblicherweise bei bekannten Ausführungsformen auftreten, vollständig entbehrlich. Die durch Gleichstrom eingeführte thermische Belastung, welche normalerweise bei mittels Gleichstrom vorgespanntem Wandler bekannter Art auftritt und die begleitenden Verluste im Übertragungskabel werden ebenfalls vermieden.
• Die verteilte Permanentmagnetanordnung des Moduls 10 mit dem niedrigen magnetischen Widerstand aufweisenden Rückleitungsweg vermeidet praktisch Wechselstrom- und Gleichstrom-Streuflüsse außerhalb des magnetischen Weges des Moduls, wodurch eine vernachlässigbare magnetische Markierung erreicht wird, so daß der die Module 10 enthaltende, selbst vorgespannte Wandler praktisch nicht auf spürbar ist.
• Fig. 6 zeigt im Querschnitt einen Antriebsmodul 50, der eine alternative Ausführungsform des Moduls 10 nach den Fig. 2 bis 5 ist. Die leichte Vergrößerung der Länge des magnetostriktiven Antriebsstapels 11 des Moduls 10 aufgrund der Einbringung der Permanentmagnete 2 kann, wie bei dem Modul 50 etwas verringert werden, indem zwei der Vorspannmagnete 2' in der Polstück-/ Endblockanordnung 7 untergebracht werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Man erkennt, daß die Scheiben aus Terfenol-D-Magnetostriktivmaterial 1 sämtlich gleiche Länge haben und daß die Anzahl der Permanentmagnetscheiben 2 in jedem Stapel 11' um eins verringert ist, wobei die Gesamtzahl der Permanentmagnetscheiben 2, 2' dieselbe ist wie in dem Modul 10. Die magnetische Polarität der Permanentmagneten 2, 2' ist so, daß eine Serienunterstützung erfolgt, ebenso wie in dem Modul 10. Der Modul 50 ist zwar etwas kürzer in der Länge als der Modul 10 aufgrund der Anordnung der Permanentmagnete 2' zwischen den Abschnitten 4' des Polstückes 4, resultiert aber in einem erhöhten Streufluß zwischen den beiden Abschnitten 4'.
• Eine alternative Form des Antriebsstapels 11 von Fig. 3 ist in Form des Antriebsstapels 170 von Fig. 7 gezeigt. Die magnetostriktiven Antriebselemente 171 wurden aus Sechseckstäben aus zonengeschmolzenem, kornorientiertem Terfenol-D gefertigt. Die Kornorientierung in dem Material resultiert in höherer Permeabilität, höherem longitudinalem Kopplungsfaktor, höherer Nachgiebigkeit und niedrigerer Schallgeschwindigkeit. Das Verfahren zum Erzielen der Kornorientierung ist ein freistehend durchgeführtes Zonenschmelzen, das den Maximaldurchmesser der Terfenol- D-Stäbe auf etwa 0,761 cm (0,3 Zoll) beschränkt. Ein hoher Packungsfaktor und eine große Querschnittsfläche des von einer einzigen Spule umschlossenen Materials wird so durch Verwendung vieler Einzelstäbe 172 erreicht, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Um einen hohen Packungsfaktor zu erreichen, werden die einen Durchmesser von 0,762 cm (0,3 Zoll) aufweisenden kornorientierten Stäbe auf sechseckigen Querschnitt (0,635 cm (0,25 Zoll) über die Flächen) bearbeitet und mit elektrisch isolierendem Klebstoff 173 zusammengeklebt. Die Verwendung elektrisch isolierenden Klebstoffs ist wesentlich, um die Stäbe elektrisch voneinander zu isolieren, wodurch Kreisdurchmesser für Wirbelströme auf annähernd 0,635 cm (0,25 Zoll) beschränkt werden. Das Bündel zusammengeklebter Stäbe, das durch den Klebstoff erzeugt worden ist, wird dann in Scheiben 171 geschnitten. Die Scheiben 171 werden wechselweise mit den Samarium-Kobalt-Scheiben 174 aufeinander gelegt, welche so bereitet sind, wie für den Antriebsstapel 11. Die Scheiben 171 und 174 werden aufeinander gekittet, um eine alternative Form eines magnetostriktiven Stapels 170 zu bilden.
• Stapel, die aus größeren Durchmesser aufweisenden runden Stäben hergestellt sind, um die Antriebsstapel 11 nach den Fig. 3 bis 5 zu erzeugen, sind dem Stapel 170 aus Sechseckstäben vorzuziehen, da sie billiger sind und da es schwieriger ist, eine Spule 3 mit einem Innendurchmesser zu fertigen, der den Liftluftraum zwischen der Spule 3 und dem Stapel 170 minimiert, als es sich ergibt, wenn der Stapel im wesentlichen rund ist, wie etwa der Stapel 11. Eine genaue Passung ist wünschenswert, um die Streuinduktivität der Spule 3 zu reduzieren.
• Tonpilz-Projektoren oder -Wandler der Art, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, und welche den Antriebsmodul 10 nach der Erfindung enthalten, resultieren in bessern Betriebseigenschaften gegenüber denjenigen, die bisher erhältlich waren. Ein Wandlerkopplungsfaktor in Wasser von 0,5, Gesamtwirkungsgrade über 65 % und Arbeitszyklen nahe 50 % bei hohen Antriebsleistungspegeln wurden erreicht.
• Die magnetostriktiven Legierungen der Lanthanidenreihen, beispielsweise derjenigen, die in dem Antriebsmodul 10 Verwendung finden, besitzen Vorteile gegenüber vergleichbaren Antriebsmaterialien für Anwendungen bei niedriger Frequenz. Der Grad der Ausnützung dieser Vorteile bestimmt sich durch das Ausmaß, zu welchem technische Probleme, die aus der eigentümlichen niedrigen Permeabilität bei den Lanthanidenmaterialien auftreten, gelöst werden können. Der Ausdruck "Lanthanide" bezieht sich auf die Lanthanidenreihe der Elemente (Lanthan, Atomzahl 57, ist das erste Element in dieser Reihe), wobei verschiedene von diesen Elementen (Sm, Tb, Dy, Ho, Er und Tm) in der Form von Legierungen außerordentliche Magnetostriktion aufweisen. Der Ausdruck "Seltenerden" wurde zur Charakteresierung dieser Elemente verwendet, doch da sie weder selten sind noch "Erden" (ein Ausdruck, der "Oxide" bedeutet) sind, ist der Ausdruck "Lanthanide" vorzuziehen. Die hohe magnetostriktive Verhaltensweise dieser Lanthanidelemente und die Bildung von Lanthanidlegierungen, welche starke Magnetostriktion bei normalen Betriebstemperaturen hervorbringt, hat zumindestens einem gegenwärtig bevorzugt verwendeten Lanthanid-Legierungsstoff, nämlich Terbium- Dysprosium-Eisen-Legierung, d. h., Tb0,3 Dy0,7 Fe1,9, (Terfenol- D), geführt.
• Terfenol-D ist in der Lage, mehr als das Fünffache der Rms- Anspannung zu erzeugen, welche durch die am besten vergleichbaren piezokeramischen Stoffe entwickelt wird, und über das Zehnfache der Rms-Anspannung, die von den am besten vergleichbaren nicht lanthaniden magnetostriktiven Legierungen (d. h. Nickel) erreicht wird. Da die akustische Ausgangsleistung, welche von einem Unterwassersender oder Wandler erzeugt wird, proportional zu dem Quadrat der Anspannung ist, resultieren von Lanthaniden angetriebene Wandler in einem großen Vorteil bezüglich der Fähigkeit der Leistungserzeugung. Zusätzlich hat Terfenol-D eine Schallgeschwindigkeit, die grob 60 % derjenigen von Piezokeramik ist und besitzt etwa das Siebzehnfache der thermischen Leitfähigkeit. Die niedrige Schallgeschwindigkeit wirkt in Richtung einer verbesserten Bandbreite und vermindert die Resonanzfrequenz, während die hohe thermische Leitfähigkeit in Richtung einer Verbesserung Handhabung der Leistung wirkt und den erreichbaren Arbeitszyklus erhöht.
• In der vorausgehenden Beschreibung der Erfindung sind mehrere Ausführungsformen eines neuartigen Wandlerantriebsmoduls und seines Einbaus in einen Wandler beschrieben, der folgende neue Merkmale hat. Der Modul 10 enthält Samarium-Kobalt-Magneten, welche selbst unter den Bedingungen extremer Vibration und starker Wechselfelder stabil sind. Magnete nach dem Stande der Technik, die in selbst vorgespannten Konfigurationen verwendet wurden, erforderten Kupferblech zur Abschirmung der Magnete gegenüber den Wechselfeldern. Nur Samarium-Kobalt-Magnete (mit der möglichen Ausnahme von anderen Magneten auf Lanthanidbasis, beispielsweise Neodym-Bor-Eisen) besitzt die hohe intrinsische Koerzitivkraft, Restinduktion und Stabilität zur angemessenen Vorspannung von lanthanid-magnetostriktiven Sendern und erfordert nicht eine Wechselstromabschirmung.
• Der eigen vorgespannte Antriebsmodul 10 resultiert in einem sehr gleichförmigen Vorspannungs- und Antriebsfeld, da die Scheiben 2 aus Samarium-Kobalt über den magnetostriktiven Stapel hin verteilt sind. Wenn, wie beim Stande der Technik, die Magnete zusammengefaßt würden, wären die Felder nicht gleichförmig und der Wirkungsgrad und die Arbeitseigenschaften würden verschlechtert.
• Die Endblock-/Polstückkonstruktion 7 ist außerordentlich steif und mechanisch fest, obwohl die Polstücke 4 aus sehr feinen Lagen aus Stahlblech gefertigt sind. Der Endblock 5, welcher unmagnetisch ist, und entweder aus Aluminium oder rostfreiem Stahl gefertigt ist, stört nicht den Fluß, der durch die Polstücke 4 verläuft. Die Endblöcke 5 ermöglichen es, die Enden 20 des Antriebsmoduls 10 flach zu schleifen und parallel zueinander zu machen und auf die dieselbe Länge zu bringen wie sämtliche anderen Module 10 in demselben Wandler, was viel leichter geschieht als wenn der Modul allein durch Stahlblechpakete 15 abgeschlossen wäre. Die glatt und flach geschliffenen Flächen 20 der Endblöcke 5 können in Schlitze 63 und 64 der Wandlerendmassen 61 bzw. 62 eingesetzt werden, welche auch vorzugsweise flach und parallel geschliffen sind. Fett 51 in den Ausnehmungen 63 und 64 zwischen den Antriebsmodulenden 5 und den Wandlerendmassen 61 und 62 ist als Schutz des Moduls 10 gegenüber von außen erzeugten Schockwellen wirksam und gestattet es, den Modul 10 leichter auszutauschen, falls ein Schaden auftritt.
• Die Modulkonstruktion der Antriebsanordnung 10 erleichtert den Einbau und die Wandlerfertigung. Nachdem davon auszugehen ist, daß die meisten lanthanid-magnetostriktiven Wandler eine Mehrzahl von Antriebselementen 10 enthalten, macht es die modulare Form des Wandlerantriebsmoduls 10 verhältnismäßig einfach, den Wandler herzustellen und ihn zu warten, falls ein Modul ausgetauscht werden muß.
• Der hochtemperaturfeste Silikonkautschuk 8, der den Spalt zwischen der Antriebsspule 3 und dem magnetostriktiven Stapel 11 erfüllt, minimiert mechanische Reibungsverluste, entkoppelt die Spule von dem Stapel und stellt einen verbesserten Wärmeleitungsweg von der Spule zu dem Stapel dar. Der Wärmeübergang zwischen der Spule 3 und den Wandlerendmassen 61 und 62 wird weiter durch die Orientierung der Lagen 15 der Polstücke unterstützt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Wärmestrom verläuft durch die Polstücklagen 15 ohne daß er durch die Isolationslackschichten 16 zwischen den Lagen 15 treten muß. Die Wärmeübertragungseigenschaft ist so gut, daß ein selbst vorgespannter Wandler ähnlich demjenigen, der in Fig. 6 gezeigt ist, mit 15,9 · 10³ A/m (200 Oersted) fortdauernd mit einem Arbeitszyklus von 40 % betrieben werden kann, ohne daß Überhitzung auftritt (Temperaturanstieg annähernd 76,7ºC (170ºF)).
• Andere Vorteile der Erfindung können zusammengefaßt angeführt werden als Feldgleichförmigkeit sowohl für die Wechselfelder als auch für die Gleichfelder, welche in den lanthanid-magnetostriktiven Antriebselementen niedriger Permeabilität auch bei niedrigen Verhältnissen von Länge zu Durchmesser aufrechterhalten werden kann. Typisch ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser in dem Antriebsstapel 11 etwa 3,5. Die gesamte Menge von Terfenol- D in dem Antriebsstapel 11 wird voll ausgenützt. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird eine Entmagnetisierung, Brechung und Flußstreuung praktisch vermieden. Der Wandler 60 hat einen hohen Umwandlungswirkungsgrad mit Spitzenwerten des Gesamtwirkungsgrades je nach spezifischer Wandlerkonstruktion und Belastung von 60 % bis 75 %. Die Erfordernisse von Gleichstromleistung und die einhergehenden Verluste zur Vorspannung des megnetostriktiven Materials 1 sind vermieden. Elektronische Sperrschaltungen zur Trennung des Wechselstroms vom Gleichstrom sind durch die selbst vorspannende Konstruktion nach der Erfindung vermieden. Die thermische Belastung des Wandlers ist stark herabgesetzt durch Vermeidung von Gleichstromleistung, die zur Vorspannung des magnetostriktiven Materials 1 erforderlich wäre. Kabelübertragungsverluste zur Lieferung von Gleichstrom für die Vorspannung fallen ebenfalls nicht an. Die Samarium-Kobalt- Permanentmagnete brauchen nicht gegenüber Wechselfeldern abgeschirmt zu werden und sind selbst dann, wenn sie großen Wechselfeldern ausgesetzt sind, stabil. Die verbesserte thermische Eigenschaft des magnetostriktiven Antriebs 10 resultiert in einem erhöhten Betriebszyklus für den Wandler. Es ergibt sich eine niedrige Ableitungsinduktivität im Vergleich zu bekannten Magnetvorspannungen mit Permanentmagneten, da im wesentlichen der gesamte Fluß innerhalb des magnetischen Kreises verläuft. Aufgrund des Einschlusses des magnetischen Flusses hat der eigen vorgespannte Wandler nach der vorliegenden Erfindung ein sehr niedriges magnetisches Außenfeld. Schließlich ergibt die modulare Form der Konstruktion des magnetostriktiven Antriebs 10 für diese Antriebe einen leichten Einbau und eine leichte Entfernbarkeit für Fabrikation und Reparatur.
• Es ergibt sich nur eine leichte Einbuße an Wechselstromwirkungsgrad, was jedoch in einer bedeutend größeren Erhöhung im Gesamtwirkungsgrad aufgrund der Vermeidung einer Gleichstromvorspannung resultiert. Typischerweise haben eigen vorgespannte Lanthanidwandler Wechselstromwirkungsgrade, welche einige wenige Prozent niedriger als bei einem optimierten Wandler mit entsprechenden Rückfluß-Polstücken sind. Die geringe Verminderung im Wechselstromwirkungsgrad wird durch einige zusätzliche Kupferverluste verursacht, welche sich aus dem erhöhten magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises aufgrund des Einschlusses der Permanentmagnete 2 und der geringen zusätzlichen Wirbelstromverluste in den laminierten Magneten ergeben.
• Typische Abmessungen der Permanentmagnetscheiben und magnetostriktiven Scheiben 1 bzw. 2 in dem Stapel 11 im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind oben angegeben und resultierten in einer Feldverteilung des Wechselfeldes und des Gleichfeldes in dem niedrige Permeabilität aufweisenden magnetostriktiven Material Terfenol-D, welche innerhalb von 5 bis 10 % gleichförmig war. Die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes ist wünschenswert, um eine Verschlechterung der Wirkungsweise zu vermeiden, die von magnetischer Sättigung in Teilen der Konstruktion des Antriebsmoduls verursacht würde. Es ist denkbar, daß die Erfindung Abmessungen der Scheiben 1 und 2 abweichend von denjenigen im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt, welche in gleicher Weise den gewünschten Grad der Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes herbeiführen. Außer für den Tonpilz-Wandler, welcher in Fig. 1 gezeigt ist, können die erfindungsgemäßen Antriebsmodule auch für einen Wandler der Zylinderbauart verwendet werden, welcher dem Fachmann geläufig ist, wobei die Antriebsmodule nach der Erfindung zwischen aneinandergrenzende Zylindersegmente eingesetzt sind, auf welche durch Spannschrauben oder Spannanker eine Kraft ausgeübt ist, um die Antriebsmodule zusammenzudrücken.
• Nach der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist es dem Fachmann klar, daß andere Ausführungsformen mit diesem Konstruktionsprinzip verwendet werden können. Es ist daher festzustellen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern vielmehr durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims (20)

1. Magnetostriktive Einheit mit einem Stapel aufeinandergelegter Teile (1, 2) aus Permanentmagnetmaterial und magnetostriktivem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergelegten Teile eine Mehrzahl erster Scheiben (2) aus Permanentmagnetmaterial zur Erzeugung eines permanenten Vorspannungsgleichfeldes und eine Mehrzahl von zweiten Scheiben (1) aus magnetostriktivem Material enthalten und daß die Scheiben (1, 2) aus Permanentmagnetmaterial und magnetostriktivem Material zur Bildung des Stapels (11) aufeinandergelegt sind und daß weiter jede der ersten und zweiten Scheiben (1,2) aus elektrisch von einander isolierten Abschnitten besteht.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetscheiben eine hohe Resonanz-Induktion und eine hohe Koerzitivkraft besitzen und daß das genannte magnetostriktive Material ein Material mit hohem Spannungskoeffizienten und niedriger Permeabilität ist.

3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetscheiben Samarium-Kobalt-Magnete sind und daß das magnetostriktive Material eine Lanthaniden-Legierung ist.

4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanthaniden-Legierung Tb0,3 Dy0,7 Fe1,9 ist.

5. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Scheiben eine Mehrzahl von Stäben (141) aus magnetostriktivem Material enthält, welche zur Bildung eines Bündels von Stäben Seite an Seite aneinander liegen, wobei die Stabe (171) in dem Bündel elektrisch voneinander isoliert und durch Klebung miteinander verbunden sind, und daß jede erste Scheibe (174) Platten von Teilscheiben enthält, die elektrisch voneinander isoliert sind und durch Klebung miteinander verbunden sind, um die Scheiben (174) zu bilden, und wobei weiter Mittel zum Zusammendrücken des Stapels von Scheiben vorgesehen sind.

6. Magnetostriktiver Antriebsmodul mit einem Paar von magnetostriktiven Einheiten (11) nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Einheiten (11) Seite an Seite in einem magnetischen Serienschließungskreis angeordnet sind, der durch ein Paar den Fluß rückführender Polstücke (4) aus Material hoher magnetischer Permeabilität vervollständigt ist, wobei jedes Polstück (4) einander benachbarte Enden der genannten Stapel (11) überbrückt und Blechpakete aus dem genannten magnetischen Material enthält, und gekennzeichnet durch jeweils ein Solenoid (3) um jeden der Stapel (11) herum zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen Wechselfeldes innerhalb des jeweiligen Stapels (11).

7. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stapel (11) Längsschlitze hat, welche die durch diese Schlitze gebildeten Scheibenabschnitte (1, 2) elektrisch voneinander isolieren.

8. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der endständigen Polstücke (4) eine Querteilung seiner Blechpakete in mindestens zwei Gruppen aufweist, wobei die Gruppen durch einen Permanentmagneten (2') getrennt sind, der Längsschlitze mit elektrischer Isolation darin aufweist, um die von den Schlitzen gebildeten Abschnitte des genannten Permanentmagneten (2') zu isolieren.

9. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Polstück (4) ein nichtmagnetischer Endblock (5) mit einer Ausnehmung vorgesehen ist und daß die Blechpakete in der Ausnehmung Aufnahme finden und befestigt sind, so daß eine End-Polanordnung (7) gebildet ist.

10. Antriebsmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Wandler eingebaut ist, welcher eine Kopfmasse (61) und eine Rückenmasse (62) aufweist, wobei der Antriebsmodul mit seinen End-Polanordnungen in Kontakt mit der Kopfmasse und der Rückenmasse (61, 62) steht und der Wandler Mittel (65, 651, 652) enthält, um eine Kraft auf die Kopfmasse und die Rückenmasse (61, 62) auszuüben und dadurch den Antriebsmodul einzuspannen.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfmasse und die Rückenmasse (61, 62) Schlitze (63, 64) aufweisen, welche ausreichend groß sind, um darin die genannten Endblöcke (5) aufzunehmen, wenn sie sich in Kontakt mit der Kopfmasse und der Rückenmasse (61, 62) befinden.

12. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Stapel (11) von Scheiben mindestens einen Längsschlitz enthält, der sich durch den Stapel (11) von einem Ende zum anderen Ende erstreckt, wobei der genannte Schlitz quer zu den Oberflächen der Scheiben (1, 2) verläuft.

13. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stapel (11) und seine Scheiben (1, 2) zylindrisch sind und eine Symmetrieachse aufweisen und daß jede der genannten Scheiben (1, 2) flache Oberflächen quer zu der genannten Achse und in unmittelbarem Kontakt mit benachbarten der genannten Oberflächen in dem Stapel (11) aufweist.

14. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Scheiben (1, 2) so bemessen sind, daß ein im wesentlichen gleichförmiger magnetischer Fluß innerhalb des Stapels (11) erzeugt wird.

15. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Scheiben (1) aus magnetostriktivem Material eine Permeabilität von weniger als zehn haben.

16. Antriebsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben in jedem Stapel (11) Scheiben aus Permanentmagnetmaterial niedriger Permeabilität (2) und aus magnetostriktivem Material (1) niedriger Permeabilität enthalten und daß das magnetische Feld innerhalb des magnetischen Kreises, das durch die Permanentmagnetscheiben (2) erzeugt wird, im wesentlichen gleichförmig ist.

17. Antriebsmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Einheit (11) ein Elastomer (8) zwischen dem genannten Solenoid (3) und dem Stapel (11) vorgesehen ist, um das Solenoid (3) in fester Lage relativ zu dem Stapel (11) zu halten.

18. Antriebsmodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stapel (11) eine Längsachse aufweist und jedes Ende der Stapel (11) flach poliert ist und quer zu der Achse orientiert ist und daß die genannten Polstücke (4) an der Berührungsfläche mit den Stapeln (11) ebenfalls flach poliert sind.

19. Antriebsmodul nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Endblock (5) an dessen einer Seite das Polstück (4) befestigt ist und an der gegenüberliegenden Seite eine flache Oberfläche aufweist, die quer zu den Achsen der Stapel (11) orientiert ist.

20. Magnetostriktiver Antriebsmodul mit einer magnetostriktiven Einheit nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sich eine elektrische Wicklung (3) über die Länge des genannten Stapels (11) erstreckt und daß ein magnetischer Kreis (4, 11, 4) vorgesehen ist, der in Berührung mit den Enden des genannten Stapels (11) steht, so daß ein magnetischer Rückleitungsweg für den Fluß des Stapels (11) geschaffen ist.