DE69733551T2

DE69733551T2 - Verfahren zum magnetisieren eines zylindrischen körpers

Info

Publication number: DE69733551T2
Application number: DE69733551T
Authority: DE
Inventors: Kais Atallah
Original assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Current assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: DE69733551D1; AU2298997A; EP0890179B1; EP0890179A1; WO1997037362A1; US6154352A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Magnetisierung von zylindrischen Körpern und speziell, wenn auch nicht ausschließlich auf solche Körper, die zur Verwendung bei Rotoren in elektrischen Vorrichtungen dienen.
Hintergrund der Erfindung
Es ist zum Beispiel aus der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 94/06193 bekannt, einen zylindrischen Rotor aus einem Verbund aus einem magnetischen und einem Faser-Material vorzusehen. WO 94/06193 legt einen zylindrischen Verbund-Rotor mit spiralförmig gewundenen Strängen in einer Vielzahl von Schichten und magnetischem Material in einem Epoxid-Kunstharz in Spalten zwischen den Strängen offen.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen kann ein Material mit einem relativ hohen Young-Modul (etwa 120 bis 350 GPa, verglichen mit etwa 200 GPa für Stahl) liefern jedoch mit einer weitaus geringeren Dichte (etwa 1600 kg/m³ im Vergleich mit 7800–8000 kg/m³ für Stahl). Deshalb sind bei festen Rotorabmessungen die Steifigkeit und Festigkeit in Bezug auf die Gewichtsverhältnisse des Verbundwerkstoffs drei bis neun Mal so groß wie die von Stahl. Dies erlaubt hohe Geschwindigkeiten und eine schnellere Beschleunigung.
Es ist wünschenswert einen solchen Rotor zum Beispiel bei Motoren zu verwenden, aber bisher war es schwierig die notwendige Magnetisierungsverteilung zu erreichen, speziell für Anwendungen bei denen Mehrfachpole wünschenswert sind.
DE-A-35 18 851 legt ein Verfahren der sinusförmig umlaufenden Magnetisierung eines zylindrischen Körpers offen durch Anwendung elektrisch erregter Spulen.
US-A-3366811 legt einen Gleichstrommotor mit hohen Start- und Ausgangsdrehmomenten mit einem dreipoligen Läufer und einem zweipoligen Ringmagnet offen, der peripher magnetisiert wird und eine radiale Induktionskomponente besitzt nur mit der Grundschwingung und der dritten Oberschwingung einer sinusförmigen Welle.
US-A-5204569 legt einen anisotropen Magneten für eine elektrische Rotationsmaschine mit mindestens zwei magnetischen Polabschnitten in einem zylindrischen Joch offen. Ein anisotroper Magnet, der die magnetischen Polabschnitte bildet, ist so angeordnet, dass ein zentraler Abschnitt von jedem magnetischen Polabschnitt Magnetfeldlinien besitzt, die in einer radialen Richtung orientiert sind und einander gegenüberliegende Endabschnitte von jedem magnetischen Polabschnitt, die näher an den jeweils gegenüberliegenden Enden des magnetischem Polenabschnitts lokalisiert sind besitzen Magnetfeldlinien, die auf eine solche Weise ausgerichtet sind, dass sie graduell versetzt sind von der radialen Richtung in einer gegenseitig parallelen Richtung. Eine magnetische Flussdichte mit einer sinusförmigen Wellenform wird in den magnetischen Polabschnitten erzeugt.
EP-A-0542521 legt einen Magnet offen, der als ein Ringmagnet ausgebildet ist und durch eine radiale Anwendung eines Magnetfelds magnetisiert wird, während die Intensität des Magnetfeldes periodisch entlang des Umfangs des Ringmagnets verändert wird, um eine sinusförmig umlaufende Wellenformverteilung der magnetischen Flussdichte bezüglich des Ringmagnets in dem magnetisierten Zustand des Magnets zu ergeben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung Nachteile zu überwinden oder zu umgehen, auf die man mit Versionen entsprechend dem Stand der Technik trifft, ob sie nun hier angeführt sind oder an anderer Stelle.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren einer Magnetisierung eines zylindrischen Körpers geliefert, der ein im Wesentlichen isotrop verteiltes Material umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Anlegen eines magnetischen Feldes an den Körper, und
Variation des Magnetfeldes umlaufend um den Körper, um damit eine Magnetisierung zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungs-Feldverteilung sich entsprechend der folgenden Gleichung verhält:
wobei H die magnetisierende Feldstärke, p die erforderliche Anzahl an Polpaaren und θ_H der Winkel zwischen der magnetisierenden Feldrichtung und der radialen Referenzachse des Körpers ist.
Somit kann vorteilhafter Weise speziell (wenn auch ohne Einschränkung) für Rotoren von Elektromotoren eine sinusförmige Flussdichteverteilung in dem Luftspalt um den Rotor erreicht werden. Die sich ergebende sinusförmige Wellenform der induzierten Spannung ist ideal für Servo-Anwendungen von hoher Präzision. Zusätzlich können solche Körper, wenn man eine große Polzahl verwendet auf Rotornaben mit Luftkernen montiert werden, welche eine wesentliche Reduktion des Trägheitsmoments ohne einen wesentlichen Verlust an Leistung ermöglichen.
Weitere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden in den beiliegenden Patentansprüchen dargelegt.
In Übereinstimmung mit der vorliegende Erfindung wird bei einem zweiten Gesichtspunkt ein zylindrischer Körpers geliefert, der in Übereinstimmung mit dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung magnetisiert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun nur durch Beispiele mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung eines zylindrischen Körpers ist, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung magnetisiert wird.
2 ein Querschnitt durch den Körper aus 1 entlang der Ebene II-II ist.
3 eine schematische Darstellung eines Schritts bei dem Herstellungsprozess eines Segments des Körpers aus den 1 und 2 ist.
4 eine schematische Abschlussdarstellung des Körpers aus den 1 und 2 ist, bei der die Magnetfelder gezeigt sind.
5 eine schematische Funktionsdarstellung einer Magnetisierungsanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung für ein Innenfeld ist.
6 ein Graph ist, der den Magnetisierungsvektor M eines Innenfeldzylinders bei einer Zweipol-Anordnung ist.
7 eine Darstellung ähnlich zu 5 ist, aber für einen Außenfeldzylinder.
8 eine schematische Funktionsdarstellung ist, welche die innere und äußere Magnetisierung unter Verwendung eines Eisenkerns zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Bezogen auf die 1 und 2 der folgenden Zeichnungen ist ein hohler, runder, zylindrischer Körper 2 mit einer gedachten Rotationssachse 3 gezeigt. Von der Achse 3 nach außen umfasst der Körper 2 eine innere Substratschicht 4, zwei magnetische Segmente 6A, 6B, faserverstärkte Schichten 8, 10 und einen äußeren Schutzüberzug 12. In diesem Zusammenhang können die magnetischen Segmente 6A, 6B auch als Substrate betrachtet werden. Der Körper 2 besitzt eine Länge von 500 mm (wovon 350 mm die aktive Länge sind), einen inneren Durchmesser von 100 mm und eine radiale Dicke von etwa 6 mm.
Das Substrat 4 definiert eine zylindrischer Röhre und umfasst eine Schicht von harzimprägnierten Fasern, die eine starre Substratbasisschicht bilden. Das Substrat 4 ist eine einzelne Ringschicht. Sie stellt eine solche dar, bei welcher der Windungswinkel in Bezug auf die Achse 3 etwa 90° beträgt. Man wird erkennen, dass der Windungswinkel nicht genau 90° betragen darf, da sonst die Schicht radial und nicht längs aufgebaut würde. Es ist bevorzugt, dass der Windungswinkel so gewählt wird, dass die Fasern angrenzend zueinander zu liegen kommen.
Die Fasern können Kohlefasern umfassen oder alternativ Glasfasern, Kevlar (Polyaramid), Bor, Nylon, Polyolefine oder deren Mischungen oder andere geeignete Fasern sein. Das Harz kann ein Epoxidharz sein, in diesem Fall LY556 mit Härter HY917.
Bei der Ausführung der 1 und 2 sind zwei im Wesentlichen ähnliche Segmente 6A, 6B gezeigt. Jedes Segment 6A, 6B erstreckt sich über die feste Länge des Zylinders, definiert durch Substrat 4. Jedes Segment 6A, 6B besteht aus der Hälfte einer zylindrischen Röhre mit einem Innendurchmesser, welcher mit dem Außendurchmesser des Substrats 4 übereinstimmt. Die Segmente 6A, 6B umfassen jedes eine Mischung eines Epoxidharzes und eines magnetischen Materials.
Das magnetische Material ist isotrop und homogen in einer Pulverform verteilt, typischerweise mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 10–30 μm und kann Eisen, Nickel, Kobalt oder eine Legierung, welche ein oder mehrere dieser Elemente enthält umfassen. Es kann einen Fernit zum Beispiel Bariumferrit umfassen. Alternativ und bevorzugt umfasst das Material ein bekanntes hartmagnetisches Material (d. h. schwer zu entmagnetisieren), das ein Seltenerdmetall umfasst, zum Beispiel Kobalt-Samarium oder Neodym-Eisen-Bor. Der Gehalt an magnetischem Material zu Epoxidharz in den Segmenten 6A, 6B beträgt 40–50 Volumenprozent, auch wenn eine Beladung bis 80 Volumenprozent erreicht wurde.
Die Verstärkungsschicht 8 umfasst eine Faser- und Epoxidharz-Ringschicht im Wesentlichen ähnlich zu Substrat 4.
Die Verstärkungsschicht 10 umfasst eine Faser- und Epoxidharz-Spiralschicht, ähnlich Verstärkungsschicht 8 in den Materialien, aber gewunden mit einem Windungswinkel bezüglich der Rotorachse 3 von bedeutend weniger als 90°.
Die Ringschicht 8 liefert thermische Stabilität und radiale Festigkeit. Die Spiralschicht 10 liefert eine laterale strukturelle Steifigkeit. Die Kombination der Ring- und Spiralschichten 8, 10 liefert sowohl eine beträchtliche thermische Stabilität und Quersteifigkeit als auch eine rauere Oberfläche, in welche der Schutzüberzug 12 eingreifen kann. Da bei dem Abkühlen die Spiralschicht 10 bedeutend mehr als die Ringschicht 8 schrumpft, schützt die letztere den magnetischen Körper in einem gewissen Ausmaß während des Abkühlprozesses.
Ein Verfahren zur Herstellung des zylindrischen Körpers 2 aus den 1 und 2 wird nun beschrieben.
Das nicht magnetisierte magnetische Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Material und das nicht ausgehärtete Epoxidharz werden miteinander vermischt im Verhältnis bis zu 80 Volumenprozent des magnetischen Materials.
Bezogen auf 3 der folgenden Zeichnungen ist eine zweiteilige Gussform 14A, 14B gezeigt mit einer Patrizen-14A und einer Matrizen-14B Komponente. Die Patrize 14A ist ein halbzylindrischer Körper des Durchmessers r₁. Die Matrize 14 ist eine zylindrische konkave Wanne des Durchmessers r₂, wobei r₂ um 3 mm größer als r₁ ist. Die NdFeB-Epoxidharzmischung (bezeichnet als 16) wird in die Matrize 14B befördert und die Patrize 14A wird wie gezeigt zentral darüber platziert. Das Epoxidharz wird zumindest teilweise ausgehärtet. Das Segment 6A ist dann selbsttragend. Die hergestellten Segmente 6A, 6B sind von konstant 3 mm Dicke. Man fand heraus, dass dies der beste Kompromiss zwischen Trägheitsmoment, Magnetisierung und Drehmoment für die meisten Anwendungen ist.
Die somit erzeugten magnetischen Schichten oder Segmente 6A, 6B liegen in der Form von halbzylindrischen Platten vor, die eine allgemein homogene Verteilung von magnetischem Material und Binder umfassen, ohne eingebettete Faserstränge. Das magnetische Material ist gleichmäßig verteilt über das Volumen der Segmente 6A, 6B.
Als Nächstes wird die Substratschicht 4 durch ringförmiges Wickeln von Kohlefasersträngen, die mit nicht ausgehärtetem Epoxidharz imprägniert sind auf einen runden zylindrischen Formkern (nicht gezeigt) unter Verwendung einer bekannten Faserwickelmaschine gebildet. Es wird nur eine Schicht benötigt um das Substrat 4 zu bilden. Glas-, Kevlar- oder andere Faserstränge können ebenso verwendet werden.
Die vorgeformten Segmente 6A, 6B werden dann um das Substrat 4 angebracht und temporär darauf mit einem Epoxidkleber oder einem anderen Befestigungsmittel gesichert.
Als Nächstes wird die Ringschicht 8 mit einer bestimmten Dicke um die Segmente 6A, 6B gewickelt. Wenn die Faserstränge aushärten schrumpft eine Ringschicht weniger als eine Spiralschicht. Deshalb schützt die Ringschicht 8 die Segmente 6A, 6B, was ein Grund ist, warum es wünschenswert ist Ringschichten auf beiden Seiten des magnetischen Materials zu haben. Wenn eine spiralförmig gewundene Schicht benachbart zu dem magnetischen Material läge, könnte der Druck, den sie während einer Aushärtung ausüben würde die Segmente 6A, 6B verformen und sogar dazu führen, dass es nicht mehr möglich wäre, den zylindrischen Körper von dem Formkern zu entfernen.
Die Kombination aus Ringschicht 8 und Spiralschicht 10, die jede aus mit nicht ausgehärtetem Epoxidharz imprägnierten Fasersträngen gebildet sind, wird über das magnetische Material gewunden, um die geforderten mechanischen Eigenschaften für den zylindrischen Körper zu erreichen.
Das Harz in dem Substrat 4, den Segmenten 6A, 6B, den Schichten 8 und 10 wird dann durch Aufheizen des Körpers auf eine Aushärtetemperatur, welche für das/die Harz/e geeignet ist ausgehärtet. Der Körper kann dann von dem Formkern (nicht gezeigt) entfernt werden, da er nach dem Aushärten selbsttragend ist.
Eine äußere Schutzschicht 12 wird dann um die Schicht 10 aufgetragen. Die Natur der Abschlussschicht 12 wird durch die beabsichtigte Anwendung des Körpers 2 bestimmt. Zum Beispiel kann, wenn der Körper 2 als eine Walze verwendet werden soll, die äußere Schicht 10 eine Gummi-, Keramik- oder Edelstahl-Abdeckung umfassen.
Entweder vor oder nach dem Auftrag von Schicht 12 wird das NdFeB magnetisiert, um die Teilchen auszurichten. Dies kann tatsächlich in jedem Stadium ausgeführt werden. Eine Magnetisierung wird erreicht durch einen Durchtritt der Segmente durch ein Magnetfeld hoher Stärke, typischerweise 3 Tesla. Energien von nur etwa 15 kJ werden benötigt, weil die kleineren Segmente separat magnetisiert werden können oder die Magnetisierung in Stufen entlang der Länge des Segments erreicht werden kann.
Ein bevorzugtes Feldmuster für den magnetisierten Körper 2 ist in 4 der folgenden Zeichnungen gezeigt, magnetisiert durch ein umlaufend kontinuierlich sich veränderndes Feld. Dieses Muster basiert auf einer Darlegung, auf die in einem Artikel "Permanent Magnets for Production and Use of High Energy Beams", Proc. 8th Int. Workshop on Rare Earth Permanent Magnets, S. 123–136, 1985 (K. Halbach) Bezug genommen wird. Die Felder aus 4 beschreiben allgemein sinusförmige Muster.
Die Magnetisierungsfeldverteilung H zur Magnetisierung eines Halbach-Zylinders muss den folgenden Kriterien genügen, wobei die Einheiten Ampere pro Meter sind:
für ein inneres Feld und entsprechend des Folgenden für ein äußeres Feld:
wobei p die erforderliche Anzahl an Polpaaren, H die magnetisierende Feldstärke und θ_H der Winkel zwischen der magnetisierenden Feldrichtung und der Referenzachse ist.
Das äußere Feld (relativ zu dem Stromleiter), erzeugt von einem sinusförmig verteilten Strom der Dichte Jz = Jsin(pθ) mit den Einheiten Ampere pro Quadratmeter für ein inneres Feld relativ zu dem zylindrischen Körper ist gegeben durch:
wobei R₁ der innere Radius zu dem Stromleiter und R₂ der äußere Radius zu dem Stromleiter ist.
Somit erfüllt die Verteilung des äußeren Feldes die Bedingungen für die Magnetisierung eines Mehrpol-Halbachzylinders. Außerhalb des Zylinders wird das Magnetfeld bei einem Minimum und normalerweise bei Null gehalten. Somit ist der Halbachzylinder im Wesentlichen selbstabschirmend.
In dem Halbach-Artikel wird nur Bezug genommen auf die Herstellung des Feldes unter Verwendung von diskreten magnetischen Blöcken, die ausgerichtet sind, um näherungsweise das oben beschriebene Feld zu erzeugen. Zylindrische Körper in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können magnetisiert werden, um ein kontinuierliches Feld zu erzeugen, das die Halbach-Gleichungen (1)–(3) besser erfüllt.
In 4 wird das Feldmuster erzeugt durch Magnetisierung der Segmente 6A, 6B mit einem sich kontinuierlich verändernden Feld, um acht gleich beabstandete Pole (oder Pseudopole), zur Bequemlichkeit mit A bis H bezeichnet, zu schaffen. Dieses Feldmuster erzeugt eine relativ starkes Feld in dem Körper 2 mit einem minimalen Feld außerhalb und reduziert somit eine elektromagnetische Interferenz, die durch den Betrieb des Körpers 2 verursacht wird.
Die Magnetisierung in dem Körper wird durch die folgende Gleichung (4) beschrieben:
wobei M der Magnetisierungsvektor, p die benötigte Anzahl an Polpaaren und θ_M der Winkel zwischen der magnetischen Feldrichtung und der radialen Referenzachse des Körpers ist.
Bezogen auf 5 der folgenden Zeichnungen ist eine Anordnung zur inneren Magnetisierung des zylindrischen Körpers 2 gezeigt. In 5 besitzt der zylindrische Körper 2 einen inneren Radius R_i und einen äußeren Radius R_o und angeordnet innen um den Körper 2 befinden sich eine erste Gruppe von sechs Längsleitern 20A–20F und eine zweite Gruppe von sechs Längsleitern 20A–20F. Jeder Leiter begrenzt einen Winkel von 2α. Strom wird in eine Richtung durch die Leiter 20A–20F und in die andere Richtung durch die Leiter 20A–20F geleitet, um den zylindrischen Körper 2 zu magnetisieren.
Dazu, dass sich die Magnetisierung dem erwünschten sinusförmigen Halbachfeld so weit wie möglich annähert, wird die Winkelbeabstandung und der radiale Abstand der Leiter 20, 22 wie folgt festgelegt.
Ein magnetisierter zylindrischer Mehrpol-Körper 2 mit einem inneren Feld ist gekennzeichnet durch eine Magnetisierungsverteilung, die θM = (1 + P)θ (5)erfüllt.
Wobei θ_M gleich dem Winkel des Magnetisierungsvektors M mit einer willkürlichen Referenzachse, wie in 6 der folgenden Zeichnungen gezeigt, und p die Anzahl an Polpaaren ist. Um die Magnetisierungsverteilung zu erreichen, muss das Magnetisierungsfeld der gleichen Bedingung genügen.
Für eine gerade Anzahl von Leitern pro Pol, wie in 4, wo es acht sind, ist die n-te Oberschwingung der Stromdichte für eine Verteilung mit K Leitern pro Halbpol gegeben durch:
Die Anzahl an Oberschwingungen, die eliminiert werden können ist gleich K. Dies werde erreicht durch Lösen des folgenden Gleichungssatzes: {J3 = 0 {J5 = 0 {.... {J2K+1 = 0 (7)
Zum Beispiel wird, für den Fall, bei dem K = 3 ist, die Bestimmung der Winkel θ₁, θ₂ und θ₃, für welche die dritte, fünfte und siebte Oberschwingung eliminiert werden erreicht durch Lösen des folgenden Gleichungssatzes: {sin(3θ1) + sin(3θ2) + sin(3θ3) = 0 {sin(5θ1) + sin(5θ2) + sin(5θ3) = 0 {sin(7θ1) + sin(7θ2) + sin(7θ3) = 0 (8)
Die Lösung des Gleichungssatzes (8) führt zu: {θ1 = 33,944° {θ2 = 63,06° {θ3 = 78,328°
Zum Beispiel ist ein anderer Modulationstyp, der unabhängig oder in Zusammenhang mit dem vorhergehenden verwendet werden kann einer mit zwei Leitern pro Halbpol, d. h. K = 2. In diesem Fall können nur die 3. und 5. Oberschwingung eliminiert werden und die Winkel θ₁ und θ₂ werden ähnlich wie bei dem vorhergehenden Fall bestimmt. In diesem Fall wird Gleichung (6) reduziert zu: {sin(3θ1) + sin(3θ2) = 0 {sin(5θ1) + sin(5θ2) = 0 (9)und die Lösung von Gleichung (9) ergibt: θ1 = 42,0° θ2 = 78,0°
Alternativ kann eine ungerade Anzahl an Leitern pro Pol verwendet werden, d. h. K Leiter pro Halbpol plus einem Leiter, der auf dem Zentrum eines Pols sitzt. Für diese Kategorie von Verteilungen ist die n-te Oberschwingung der Stromdichte J_n gegeben durch:
Wieder ist die Anzahl von Oberschwingungen, die eliminiert werden kann gleich K und dies wird erreicht durch Bestimmung der Winkelpositionen der Leiter durch Lösen des folgenden Gleichungssatzes: {J3 = 0 {J5 = 0 {.... {J2K+1 = 0 (11)
Bei den obigen Gleichungen (6) bis (11) ist J_n die Stomdichte, die zu der Magnetisierung für die n-te Oberschwingung beiträgt.
Betrachtet man die Entfernung "d" zwischen den Leitern und dem Magnet, so wird diese gewählt, um den Effekt der niedrigsten Oberschwingung, welche nicht durch die Winkel verteilung der Leiter eliminiert wird zu filtern. Zum Beispiel leisten bei dem Fall der Verteilung, bei der die dritte, fünfte und siebte Oberschwingung somit eliminiert wurden, diese keinen Beitrag zu dem magnetisierenden Feld. Die neunte Oberschwingung jedoch, welche die niedrigste Oberschwingung darstellt, die nicht durch die Verteilung der Leiter eliminiert wird und die darüber, d. h. die elfte etc., sind noch existent und um deren Beitrag zu dem magnetisierenden Feld in dem Magnetbereich zu minimieren, wird die Entfernung "d" benötigt, um deren Effekt bezüglich der Magnetisierung zu minimieren. Allgemein wird die Entfernung d gegeben durch:
wobei R_i der innere Radius des Magnetzylinders, p die Anzahl an Polpaaren und n_s die Ordnung der niedrigsten Oberschwingung ist, die nicht durch die Stromdichteverteilung eliminiert wird. Bei dem ersten oben gegebenen Beispiel ist n_s = 9. Bei dem zweiten oben gegebenen Beispiel, wo nur die dritte und fünfte Oberschwingung eliminiert wird, ist n_s = 7.
Auch wenn bisher die Erfindung weitgehend im Zusammenhang mit innen magnetisierten zylindrischen Körpern beschrieben wurde, kann sie genauso gut auf außen magnetisierte zylindrische Körper angewandt werden. Zylindrische Körper mit innerem Feld können bei Permanentmagnetmotoren mit äußerem Rotor verwendet werden und zylindrische Körper mit äußerem Feld können bei Permanentmagnetmotoren mit innerem Rotor sowie bei anderen Anwendungen verwendet werden.
In dem Fall eines außen magnetisierten Körpers sind die Leiter 20A–20F und 22A–22F außen um den Körper 2 herum angebracht, wie in 7 der folgenden Zeichnungen gezeigt. Für einen solchen Mehrfach-Außenfeldzylinder genügt die Magnetisierungsverteilung: θM = (1 – p)θ (13)und der Abstand "d" eines Leiters von der Oberfläche des Körpers, um die Effekte höherer Oberschwingungen zu reduzieren ist gegeben durch:
wobei R_o der äußere Radius des Zylinders ist.
Natürlich kann der Abstand d größer sein, aber dies erfordert es, dass man weite Energie auf die Leiter übertragen muss, um die erwünschte Magnetisierung zu erreichen.
Somit wird, wenn der zylindrische Körper nur innen magnetisiert wird, nur ein inneres Feld erzeugt und wenn er nur außen magnetisiert wird, nur ein äußeres Feld erzeugt. Die Anordnung ist selbstabschirmend.
Um die Energie zu erniedrigen, die benötigt wird um einen gegebenen Körper zu magnetisieren kann, wie in 8 der folgenden Zeichnungen gezeigt sowohl für ein inneres als auch für ein äußeres Feld ein spaltfreier Eisenkern 26 verwendet werden. Die zum Körper schauende Oberfläche des Eisenkerns sollte für einen maximalen Effekt so nahe wie möglich bei den Leitern liegen. Für den Kern ist es wichtig, dass er spaltfrei ist, um die vorangehenden Gleichungen anwendbar zu machen.
Magnetisierende Befestigungen sind ausgelegt, um eine spezifische Anzahl von Polen einem zylindrischen Magneten aufzuprägen. Das Magnetisierungsfeld, das für eine vollständige Magnetisierung benötigt wird, hängt von dem zu magnetisierenden magnetischen Material ab. Drei Parameter werden gewählt, um einen Mehrpol-Magnetzylinder vollständig zu magnetisieren bei einer gegebenen Größe und unter Verwendung eines gegebenen Kondensatorentladungsmagnetisierers:

– Anzahl der Reihen magnetisierender Leiter pro Pol.
– Position der magnetisierenden Leiter.
– Größe der magnetisierenden Leiter, d. h. Querschnittsfläche.

Der Designer kann noch auf dem gleichen Weg fortfahren, zum Beispiel durch die Wahl einer speziellen Verteilung oder durch Kombination von verschiedenen Verteilungen in verschiedenen Schichten, um die Zahl der Leiter pro Pol zu verändern. Die Winkelpositionen der magnetisierenden Leiter und der minimale Abstand "d" für jede Schicht jedoch müssen in jedem Fall für die bevorzugte Magnetisierung erfüllt sein.
Vor der Verwendung wird der Körper 2 getestet und hinsichtlich jegliches Ungleichgewichts korrigiert unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Rotationstestläufen. Typischerweise wird ein Ungleichgewicht korrigiert durch Entfernen oder Hinzufügen von Material von oder zu einem Teil des Körpers 2.
Magnetisierte zylindrische Körper dieses Typs besitzen viele Anwendungsmöglichkeiten, wie Rotoren bei Motoren, Generatoren oder Walzen. Diese Rotoren werden manchmal als Strom-Blatt äquivalente Materialien bezeichnet.

Claims

Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2), der ein im Wesentlichen isotrop verteiltes Material umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anlegen eines magnetischen Feldes an den Körper; und Variation des Magnetfeldes umlaufend um den Körper, um damit eine Magnetisierung zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungs-Feldverteilung sich entsprechend der folgenden Gleichung verhält:
wobei H die magnetisierende Feldstärke, p die erforderliche Anzahl an Polpaaren und θ_H der Winkel zwischen der magnetisierenden Feldrichtung und der radialen Referenzachse des Körpers ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 1, bei dem die Winkelverteilung der Leiter (20A–20F, 22A–22F) -Positionen bestimmt wird in Übereinstimmung mit den Lösungen, die in Gleichung (C), unterhalb der folgenden Gleichungen (A) und (B) dargelegt sind für die Fälle, bei denen jeweils pro Pol eine gerade oder ungerade Anzahl von Leitern (20A–20F, 22A–22F) vorliegen:

gelöst für J3 = 0 J5 = 0 J2K+1 = 0 (C)wobei n die harmonische Ordnung ist, K die Anzahl von Leitern pro Halbpol ist, J_n die Stromdichte für die n-te Oberschwingung ist, α die Hälfte des Winkels ist, der durch den Leiter relativ zu der zylindrischen Achse überstrichen wird und i eine ganze Zahl ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Abstand d jedes Leiters von dem Körper in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (D)
beträgt, wobei R der innere Radius des zylindrischen Körpers ist in dem Fall, bei dem das Feld innen an den Körper (2) angelegt wird und der äußere Radius des zylindrischen Körpers (2) ist in dem Fall, bei dem das Feld außen an den Körper angelegt wird und n_s die Ordnung der niedrigsten Oberschwingung ist, die nicht durch die Stromdichteverteilung eliminiert wird.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 3, wobei n_s = 7.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 4, wobei n_s = 9.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem vorgehenden Anspruch, wobei ein spaltfreier Kern benachbart zu den Leitern (20A–20F, 22A–22F) vorgesehen ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem vorgehenden Anspruch, wobei der zylindrische Körper (2) eine Längsachse besitzt, der Körper eine Verstärkungsschicht (8, 10) und eine magnetische Schicht (6A, 6B) umfasst, die magnetische Schicht (6A, 6B) ein verteiltes magnetisches Material und einen Binder umfasst und die magnetische Schicht (6A, 6B) in Form von mindestens einer Platte vorgesehen ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 7, wobei die magnetische Schicht (6A, 6B) radial bei einer kontinuierlichen radialen Dicke der magnetischen Schicht (6A, 6B) dicker ist als eine Dicke der Verstärkungsschicht (8, 10).
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die mindestens eine Platte ununterbrochen axial verläuft für einen wesentlichen Teil der Länge des Körpers (2).
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7–9, wobei das magnetische Material im Wesentlichen homogen über die magnetische Schicht (6A, 6B) verteilt ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7–10, wobei die magnetische Schicht (6A, 6B) eine Vielzahl von separaten Segmenten umfasst.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7–11, wobei der Körper (2) mindestens ein Segment umfasst, das eine Wölbung des Körpers beschreibt, wobei das oder jedes Segment ein faserverstärktes Kunststoffmaterial umfasst, das sich mit dem magnetischen Füllmaterial verbindet, der Körper eine Längsachse besitzt, das magnetische Material so angeordnet ist, dass bei einem Segment bei einem Punkt entlang der Achse und bei einem Radius von der Ach se sich innerhalb des Segments magnetisches Material befindet, bei diesem Radius überall über die Wölbung des Segments hin.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 12, wobei es eine Vielzahl von Segmenten gibt.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach den Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei der Prozentsatz der Volumendichte des magnetischen Materials in dem Segment im Wesentlichen mehr als 17% beträgt.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das Substrat eine Substratschicht umfasst, auf welche die Vielzahl von Segmenten montiert ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 15, wobei zusätzlich eine weitere Schicht über der Vielzahl von Segmenten vorgesehen ist, wobei die Segmente sandwichartig eingefasst werden zwischen dem Substrat und weiteren Schichten.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7–16, wobei das Substrat und/oder weitere Schichten ein faserverstärktes Kunststoffmaterial umfassen.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 17, wobei die Dicke des oder jedes Segments im Wesentlichen größer ist als die Dicke des Substrats und/oder weiterer Schichten.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 18, wobei axial nur ein einziges Segment vorgesehen ist.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 19, wobei der Körper ein faserverstärktes Kunststoffmaterial (12) umfasst, das sich mit dem magnetischen Füllmaterial verbindet, wobei ein äußeres Gebiet des Körpers (2) eine Ring-Faserschicht und eine Spiral-Faserschicht umfasst.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach Anspruch 20, wobei entsprechend einer innen/außen-Richtung von der Längsachse des Körpers (2) aus sich die Ringschicht innerhalb der Spiralschicht befindet.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 21, wobei der Körper (2) ein Substrat umfasst, das eine Vielzahl von getrennten magnetischen Segmenten trägt, wobei jedes Segment ein magnetisches Material und eine äußere faserverstärkte Schicht um ein Segment umfasst und wobei entlang des Umfangs eine Vielzahl von Segmenten vorhanden sind.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das magnetische Feld, das durch den Körper (2) erzeugt wird im Wesentlichen innerhalb des äußeren Umfangs des Substrats liegt.
Verfahren zur Magnetisierung eines zylindrischen Körpers (2) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Magnetisierung in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung, wobei die Einheiten Ampere pro Meter sind beträgt:
für ein inneres Feld und für ein äußeres Feld entsprechend beträgt:
wobei M der Magnetisierungsvektor, p die benötigte Anzahl an Polpaaren und θ_M der Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Längsachse des zylindrischen Körpers ist.
Zylindrischer Körper (2), dadurch gekennzeichnet, dass er nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 25 magnetisiert wird.