DE69008202T2 - Magnetischer Kreis. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen magnetischen Kreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Ein magnetischer Kreis gemäß der Erfindung wird in Vorrichtungen oder Geräten verwendet, die im wesentlichen auf der Anwendung der magnetostriktiven Eigenschaften eines magnetischen Materials beruhen. Die Erfindung ist daher sehr gut dort zur Verwendung geeignet, wo sogenanntes "gigant-magnetostriktives Material", wie zum Beispiel Terfenol, in Tranducern, Federelementen und dergleichen verwendet wird.
• Ein magnetischer Kreis, der zur Verwendung der magnetostriktiven Eigenschaften-eines gigant-magnetostriktiven Materials bestimmt ist, ist unter anderem aus der PCT-Patentanmeldung WO 86/03888 mit dem Titel "A rare earth flextensional transducer" bekannt. Die Bewegung des Transducers wird hier mit Hilfe einer Anzahl von Grundelementen zustandegebracht, die in einer Reihe übereinandergestapelt sind, wobei jedes Element aus einem Stab aus gigant-magnetostriktivem Material besteht. Der Stab wird durch eine umgebende Spule magnetisiert und hat zusätzlich eine Vormagnetisierung durch Permanentmagnete, die an beiden Enden angeordnet sind.
• Ein anderes Beispiel eines magnetischen Kreises mit Stäben aus gigant-magnetostriktivem Material ist aus der GB-A-2 174 863 A, mit dem Titel "Permanent magnet biased magnetostrictive transducer" bekannt. Hier bilden vier Grundelemente, die um 90º gegeneinander verdreht sind, eine quadratische Form. Der Stab in jedem Grundelement ist auch hier von einer magnetisierenden Spule umgeben, außerhalb derer Permanentmagnete für die Vormagnetisierung angeordnet sind.
• Es ist offensichtlich, daß der Wirkungsgrad der genannten magnetischen Kreise wegen der großen auftretenden Streuflüsse viel zu wünschen übrig läßt. Dies führt auch dazu, daß der magnetische Fluß in den Stäben nicht die gewünschte Homogenität hat, um eine maximale Leistung durch Magnetostriktion zu erzielen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Kreis der eingangs genannten Art zu entwickeln, der einen effizienten Aufbau eines starken und weitgehend homogenen magnetischen Feldes in einem zylindrisch geformten magnetischen Material ermöglicht.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird einen magnetischer Kreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
• Zu der Erfindung gehört ein speziell beschaffener magnetischer Kreis, der zur Magnetisierung zylindrisch geformter magnetischer Materialien in axialer Richtung bestimmt ist, die im folgenden als "magnetische Stäbe" bezeichnet werden, und zwar sowohl mit einer statischen als auch einer dynamischen Magnetisierung großer Effizienz. Die statische Magnetisierung erfolgt mit Hilfe von Permanentmagneten. Die dynamische Magnetisierung erfolgt mit Hilfe einer Spule, welche den magnetischen Stab umgibt und die gleiche axiale Länge wie der Stab hat. Hierdurch fallen die Stirnflächen der Spule mit den Stirnflächen des magnetischen Stabes zusammen, so daß zwei vollständig ebene kreisförmige Stirnflächen gebildet werden, deren Außendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der Spule ist.
• Die beiden ebenen kreisförmigen Flächen sind beide mit einer kreisförmigen Scheibe bedeckt, deren Durchmesser gleich dem Außendurchmesser der Spule ist. Die Scheiben bestehen aus einem ferro-magnetischen Material mit geringen Verlusten.
• Die Permanentmagnete, welche eine Vormagnetisierung bewirken, sind als Scheiben ausgebildet, die den gleichen Durchmesser haben wie die oben genannten weichmagnetischen Scheiben, und die an den Außenseiten dieser weichmagnetischen Scheiben angebracht sind. Die Orientierung der permanentmagnetischen Scheiben ist so gewählt, daß der magnetische Nordpol einer Scheibe einer der weichmagnetischen Scheiben gegenüberliegt und der magnetische Südpol der anderen Scheibe der anderen weichmagnetischen Scheibe gegenüberliegt.
• Schließlich gehört zu dem magnetischen Kreis ein kreiszylindrischer Ring, der die Spule umgibt und die gleiche axiale Länge wie die Spule hat. Der zylindrische Ring besteht ebenfalls aus ferro-magnetischem Material mit geringen Verlusten.
• Auf diese Weise berühren sich die weichmagnetischen Scheiben und der weichinagnetische Ring längs einer Kreislinie an der äußeren Peripherie der weichmagnetischen Scheiben.
• Durch die oben beschriebene Ausführungsform des magnetischen Kreises wird erreicht, daß
• - die magnetische Energie des statischen und dynamischen H- Feldes (H = magnetische Feldstärke) im wesentlichen in dem verwendeten magnetischen Material lokalisiert ist,
• - das H-Feld sehr homogen innerhalb des gesamten verwendeten magnetischen Materials ist und
• - ein sehr kleiner Teil des magnetischen Flusses als Streufluß außerhalb des von dem ferro-magnetischen Material gebildeten magnetischen Pfad verläuft.
• Da der magnetischen Kreis gemäß der Erfindung sowohl statisch als auch dynamisch eine sehr homogene und effiziente Magnetisierung des magnetischen Materials ergibt, kann der magnetische Kreis auch in anderen Anwendungen verwendet werden, als solchen, die ein gigant-magnetostriktives Material benötigen.
• Es gibt verschiedene Erklärungen, warum die oben genannten Eigenschaften erreicht werden. Da die weichmagnetischen Scheiben und der weichmagnetische zylindrische Ring sich nur längs einer Linie berühren, fließt der größere Teil des magnetischen Flusses von den Permanentmagneten in dem verwendeten magnetischen Material, und infolge der Form der Permanentmagnete ist der Fluß durch den magnetischen Stab homogen. Da die weichmagnetischen Scheiben und der kreiszylindrische Ring aus weichmagnetischem Material einander nur in der oben genannten Weise berühren, verläuft nur ein kleiner Teil des Flusses der Permanentmagnete durch den Ring.
• Wie bereits erwähnt, erfolgt die dynamische Magnetisierung durch einen die Windungen der Spule durchfließenden Strom. Der so erzeugte Fluß wird dann in Abhängigkeit von der Stromrichtung in der Spule entweder mit der Richtung des statischen (permanenten) Flusses übereinstimmen oder diesem entgegengerichtet sein. Auf diese Weise besteht der magnetische Kreis für den dynamischen Fluß aus dem genannten magnetischen Material, d.h. dem magnetischen Stab, den weichmagnetischen Scheiben und dem weichmagnetischen Ring. Dieser Kreis ist folglich geschlossen mit Ausnahme des Luftspaltes, der sich dadurch ergibt, daß die Scheiben und der Ring sich nur längs einer Kreislinie berühren. Aus der Sicht des in Frage stehenden magnetischen Materials jedoch ergibt die Ausführungsform eine sehr effiziente und homogene Magnetisierung.
• In der gleichen Weise wie in der oben erwähnten PCT-Anmeldung ist es offensichtlich, daß Grundelemente gemäß dem oben beschriebenen magnetischen Material übereinander gestapelt werden können, um einen verstärkten magnetostriktiven Effekt zu erreichen.
• Um das beste Ergebnis mit dem beschriebenen magnetischen Kreis zu erreichen, ist die Bemessung der verschiedenen Teile des Kreises sehr wichtig.
• Wegen des auftretenden starken B-Feldes (B = magnetische Flußdichte) ist es auch sehr wichtig, daß die weichmagnetischen Rückleiter aus einem Material mit niedrigen Verlusteigenschaften bestehen. Geeignete Materialien dieser Art werden im Zusammenhang mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der magnetischen Kreise genannt.
• Ein interessantes Merkmal des magnetischen Kreises gemäß der Erfindung besteht darin, daß er als elektrischer Generator verwendet werden kann. Indem man auf das magnetische Material periodisch veränderliche Druckspannungen über die Permanentmagnete zur Einwirkung bringt, wird eine Wechselspannung mit gleicher Frequenz in der umgebenden Spule induziert.
• Das verwendete magnetische Material kann natürlich andere Querschnittsflächen aufweisen als die rein kreisförmigen Flächen. Dies hängt von der jeweiligen Anwendung usw. ab. Die Spule, die Scheiben und der Ring müssen dann auch dem betreffenden Querschnitt angepaßt werden. Die homogene Verteilung des Flusses wird dadurch jedoch etwas leiden.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines magnetischen Kreises gemäß der Erfindung geht aus der beigefügten einzigen Figur hervor. Das zu magnetisierende magnetische Material besteht aus einem zylindrischen Körper oder einem magnetischen Stab 1. Dieser ist umgeben von einer magnetisierenden Spule 2, welche die gleiche axiale Länge wie der magnetische Stab 1 hat. Die ebenen kreisförmigen Flächen, die von den Stirnflächen des magnetischen Stabes 1 und den Stirnflächen der Spule 2 gebildet werden, sind mit kreisförmigen Scheiben 3 und 4 abgedeckt, welche den gleichen Außendurchmesser wie die Spule 2 haben und - wie oben erwähnt - aus ferro-magnetischem Material mit geringen Verlusten bestehen.
• Für die statische Magnetisierung des magnetischen Kreises sind Permanentmagnete 5 und 6 vorhanden, welche als Scheiben ausgebildet sind, die den gleichen Außendurchmesser wie die weichmagnetischen Scheiben 3 und 4 haben. Die Permanentmagnete 4 und 5 sind außerhalb der Scheiben 3 und 4 angeordnet. Die Permanentmagnete 5 und 6 sind so orientiert, daß sie sich gegenseitig magnetisch anziehen.
• Ein zylindrischer Ring 7 von gleicher axialer Längen wie die Spule 2 umgibt diese. Der Ring 7 besteht ebenfalls aus ferro-magnetischem Material mit geringen Verlusten.
• Zur Erzielung einer optimalen Funktion, d.h. zur Erzielung eines Flusses, der in dem magnetischen Material in axialer Richtung so homogen wie möglich ist, und zur Erzielung einer möglichst kleinen Streuung, sollten bestimmte Bedingungen bezüglich der magnetischen und mechanischen Bemessung zweckmäßigerweise vorhanden sein.
• Wenn man annimmt, daß der zu magnetisierende zylindrische Körper 1 eine axiale Länge A hat, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Durchmesser des zylindrischen Körpers 1 zwischen 1/2 A und 2 A liegen. Die Spule 2, die den zylindrischen Körper 1 dicht umgibt, und die ebenfalls die axiale Länge A hat, hat zweckmäßigerweise einen Außendurchmesser von 1,2 A - 4 A. Der zylindrische Kreisring 7 aus weichmagnetischem Material mit der axialen Länge A, der seinerseits Spule 2 umgibt, hat zweckmäßigerweise eine Wanddicke von 0,05 A - 1 A.
• Die kreisförmigen Scheiben 3 und 4 aus weichmagnetischem Material mit einem Durchmesser, der gleich dem Außendurchmesser der Spule 2 ist, hat vorzugsweise eine Höhe von 0,025 A - 1 A.
• Die kreisscheibenförmigen Permanentmagnete 5 und 6 mit einem Durchmesser von gleicher Größe wie der Außendurchmesser der Spule 2 hat zweckmäßigerweise eine Höhe von 0,025 A - 1 A.
• Theoretische Berechnungen haben gezeigt, daß beim Aufeinanderstapeln von fünf magnetischen Kreisen gemäß der Figur mit Permanentmagneten aus den VACTEK permanentmagnetischen Materials VACODYM und mit A ungefähr 30 mm man ein sehr homogenes axiales H-Feld von 80 kA/m erreichen kann.
• Theoretische Berechnungen haben auch gezeigt, daß, wenn die Spulen in jedem Abschnitt des magnetischen Kreises 100 Windungen haben und mit einem Strom von 30 Ampere gespeist werden das H-Feld im verwendeten magnetischen Material praktisch axial und homogen verläuft und, abhängig von der Richtung des Stromes, entweder etwa 0,4 kA/m oder etwa 180 kA/m hat.
• Wie oben erwähnt, ist es wichtig, ein ferro-magnetisches Material zu wählen, welches gute verlustarme Eigenschaften hat, um eine Erwärmung durch Wirbelströme und andere Phänomene in den magnetischen Rückleitern zu vermeiden. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Scheiben beziehungsweise Ringe zu verwenden, die entweder formgepreßt oder aus ferromagnetischem Pulvermaterial gesinters sind.

Claims (5)

1. Magnetischer Kreis zur Magnetisierung von zylindrisch geformten magnetischen Materialien (1) in axialer Richtung, zu welchem magnetischen Kreis eine magnetische Spule (2), Permanentmagnete (5, 6) zur Magnetisierung des magnetischen Materials und magnetische Rückleiter (3, 4, 7) aus ferro-magnetischem Material mit geringen Verlusten gehören, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Magnetisierungspule das zylindrisch geformte magnetische Material umgibt und die gleiche axiale Länge wie das magnetische Material hat, daß ein zylindrischer Ring (7) aus ferro- magnetischem Material mit geringen Verlusten die magnetische Spule umgibt und die gleiche axiale Länge wie das zylindrisch geformte magnetische Material und die Spule hat, daß Scheiben (3, 4) aus ferro-magnetischem Material mit niedrigen Verlusten an den beiden parallelen und ebenen Stirnflächen, die von dem zylindrisch geformten Material und den Stirnflächen der Magnetisierungspule gebildet werden, angeordnet sind und den gleichen Außendurchmesser haben wie die magnetische Spule haben, und daß an jeder der genannten Scheiben ein Permanentmagnet (5, 6) anliegt, der scheibenförmig geformt ist und den gleichen Außendurchmesser wie die magnetische Spule hat.

2. Magnetischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte magnetische Material (1), der genannte zylindrische Ring (7), die genannten Scheiben (3, 4) aus ferro-magnetischem Material und die genannten Permanentmagnete (5, 6) kreiszylindrisch geformt sind.

3. Magnetischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum magnetischen Kreis gehörenden Teile mit einem bestimmten geometrischen Abmessungsverhältnis untereinander versehen sind.

4. Magnetische Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrisch geformte magnetische Material einen Durchmesser hat, der zwischen dem 0,5-fachen und 2-fachen der axialen Länge des zylindrisch geformten Materials liegt,

daß die umgebende magnetisierende Spule einen Außendurchmesser hat, der zwischen dem 1,2-fachen und 4-fachen der axialen Länge des zylindrisch geformten magnetischen Materials liegt,

daß der die Spule umgebende Kreisring eine Wanddicke hat, die zwischen dem 0,05-fachen und 1-fachen der axialen Länge des zylindrisch geformten magnetischen Materials liegt,

daß die Kreisscheiben aus ferro-magnetischem Material eine Höhe haben, die zwischen dem 0,025-fachen und 1-fachen der axialen Länge des zylindrisch geformten magnetischen Materials liegt,

und daß die kreisförmigen permanentmagnetischen Scheiben eine Höhe haben, die zwischen dem 0,025-fachen und 1-fachen der axialen Länge des zylindrisch geformten magnetischen Materials liegt.

5. Magnetische Kreisanordnung, die aus einer Vielzahl aus magnetischen Kreisen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut ist, wobei die magnetischen Kreise in axialer Richtung aufeinander gestapelt sind.