DE896397C - Magnetostriktiver Vierpol - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Vierpol, bestehend aus einem magnetostriktiv erregbaren, mit Hilfe von Permanentmagneten vormagnetisierten, in einem Schwingungsknoten gelagerten, longitudinal schwingenden Stab, welcher beidseitig der Lagerstelle je von einer Spule umgeben ist, deren Enden die Klemmen des Vierpols bilden.

Solche Vierpole werden beispielsweise als Wellenfilter oder als Stabilisatoren in Oszillatorschaltungen verwendet und sind unter anderem in der schweizerischen Patentschrift 197 694 und in der USA.-Patentschrift ι 750 124 eingehend beschrieben worden.

Die Lagerung des Stabes macht erfahrungsgemäß Schwierigkeiten, weil zwei einander widersprechende Forderungen zu erfüllen sind. Einerseits soll nämlich die Lagerung dem Stab in der Längsrichtung auch bei Lagerung in einer Knotenstelle volle Bewegungsfreiheit lassen, was mit Rücksicht auf die praktisch nie vollkommene Bewegungslosigkeit der Knotenstelle des Stabes notwendig ist. Anderseits muß aber der Stab quer zur Längsachse möglichst unverrückbar gehaltert sein, damit vorhandene Luftspalte zwischen dem magnetostriktiven Stab und den vormagnetisierenden Permanentmagneten und eventuell vorhandenen Rückschlußjochen auch bei schwingendem Stab unverändert bleiben. Überdies sollen auch die den Stab erregenden Spulen möglichst nahe um denselben herumgewickelt werden können, was wiederum eine exakte und seitlich unverrückbare Lagerung des Stabes erfordert. Der ganze Vierpol soll zudem eine konstruktive Einheit bilden, die als Ganzes leicht auswechselbar ist und genügend Robustheit aufweist, um in tragbaren Geräten verwendet werden zu können.

Die beiden extremen Forderungen an die Lagerung des Stabes lassen sich dadurch realisieren, daß man auf den Stab bei der Knotenstelle, wo er gelagert werden soll, eine kreisrunde Scheibe aufzieht und die Scheibe selbst am Rande einspannt. Dadurch läßt sich der

Stab mit' genügender Festigkeit gegen Verschiebungen quer zur Längsachse lagern. Die Scheibe selbst ist hinsichtlich Dicke und Durchmesser so zu dimensionieren, daß eine ihrer Eigenfrequenzen mit derjenigen Eigenfrequenz des Stabes übereinstimmt, mit der der Stab magnetostriktiv erregt wird. Man kann z. B. den Stab in seiner Grundfrequenz arbeiten lassen (ein Knoten in der Stabmitte) und die Scheibe so dimensionieren, daß auch die Grundfrequenz der Scheibe mit ίο der Grundfrequenz des Stabes übereinstimmt. Es kann aber als Arbeitsfrequenz der Scheibe z. B. die Frequenz ihrer dritten Oberschwingung gewählt werden und als Arbeitsfrequenz des Stabes beispielsweise die Frequenz seiner fünften Oberschwingung, und es ist dann lediglich die Bedingung zu erfüllen, daß die Arbeitsfrequenzen von Scheibe und Stab übereinstimmen.

Alle die genannten Bedingungen lassen sich durch vorliegende Erfindung realisieren, und zwar dadurch, daß eine kreisrunde Scheibe, deren Arbeitsfrequenz bei starrer Einspannung des Scheibenrandes der Arbeitsfrequenz des longitudinal schwingenden Stabes entspricht, als Lager für den schwingenden Stab dient, indem diese Lagerscheibe in der Mitte des Stabes konzentrisch auf diesen aufgezogen ist, und daß mit dem Rand der Lagerscheibe drei nicht magnetisierbare Bolzen verbunden sind, welche auf beiden Seiten der Lagerscheibe parallel zum schwingenden Stab verlaufen, derart, daß die drei Bolzen die .Kanten eines Prismas mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks bilden, wobei die Längsachse des Prismas und des schwingenden Stabes zusammenfallen, und daß an den freien Enden der drei Bolzen auf beiden Seiten der Lagerscheibe und parallel zu dieser Scheibe je eine Abschlußplatte angebracht ist, wobei zwischen jeder Abschlußplatte und der Lagerscheibe eine der genannten Spulen konzentrisch zum schwingenden Stab eingebaut und beidseits der Lagerscheibe wenigstens in einem der drei Räume zwischen je zwei benachbarten Bolzen ein zylindrischer Permanentmagnet parallel zum schwingenden Stab eingespannt und in wenigstens einem der verbleibenden freien Räume ein-magnetisierbarer Stab eingebaut ist, welcher als regulierbares Nebenschluß j och für den magnetischen Fluß zwischen der Lagerscheibe und den Abschlußjochen dient.

Ausführungsbeispiele sowie elektrische Eigenschaften der Erfindung sollen in der Folge mit Hilfe der Fig. ι bis 5 erläutert werden.

. Ein erstes Ausführungsbeispiel im Querschnitt zeigt Fig. i. Auf dem magnetostriktiv erregbaren Stab 1, auf dessen Legierungsbestandteile noch zurückzukommen ist, ist in der Mitte eine kreisrunde Lagerscheibe 2 aufgezogen. Mit dem Rand der Scheibe sind drei Bolzen 3 aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise Messing, starr verbunden, wobei zur Versteifung des Randes der Scheibe 2 auf jeder Seite eine ringförmige Klemmscheibe 4, 4' durch die Bolzen 3 an die Scheibe 2 angepreßt wird. Jeder der drei Bolzen besteht vorzugsweise aus zwei Hälften, 6i) die miteinander verschraubt sind, wie Fig. 1 zeigt. Aus Fig. 2, welche einen Schnitt von Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A darstellt, ist ersichtlich, daß die drei Bolzen 3' die Kanten eines Prismas bilden, welches einen Querschnitt von der Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweist, durch dessen Schwerpunkt die Achse des Stabes 1 geht, der zu den Bolzen 3 parallel liegt.

An den freien Enden der Bolzen 3 ist beidseits der Lagerscheibe 2 je eine Abschlußplatte 5 angeschraubt. Der magnetostriktive Stab 1 muß in die Nähe der Abschlußplatten 5 gelangen, damit der magnetische Fluß des Stabes 1 in diese Platten übertreten kann. Vorteilhaft wird deshalb in den Abschlußplatten 5 eine zentrale Bohrung angebracht, in welche das Ende des Stabes 1 eintaucht, wie dies Fig. 1 zeigt.

Zur Erregung des magnetostriktiven Stabes dienen die Spulen 6 auf dem Spulenträger 7, welche den Stab ι beidseits der Scheibe 2 konzentrisch umschließen. In der unteren Hälfte von Fig. 1 ist ein Teil der Spule 6 und des Spulenträgers 7 weggebrochen, damit der darunterliegende Permanentmagnet 8 sichtbar wird, welcher zwischen der Scheibe 4 und der Abschlußplatte 5 mit Hilfe der Schraube 9 eingespannt ist. Ein gleicher Magnet ist in gleicher Lage auf der oberen Seite der Scheibe 4' eingebaut, wird aber durch die Spule 6 verdeckt. Wenigstens in einem der drei Räume zwischen zwei benachbarten Bolzen 3 ist somit beidseits der Scheibe 2 je ein Permanentmagnet 8 eingebaut. In den beiden verbleibenden Räumen zwischen den Bolzen 3 sind magnetisierbare Stäbe 10 vorhanden, welche an den Scheiben 4 und 4' starr befestigt sind. Die Schrauben 11 berühren normalerweise die Stäbe 10 nicht, sondern dienen zur Regulierung des Luftspaltes 12. Die Stäbe 10 und die Schraube 11 dienen als Nebenschluß j oche zur Regu- d5 lierung der Vormagnetisierung im Stab.

Der ganze Vierpol ist in ein becherförmiges Gehäuse 13 (teilweise aufgebrochen dargestellt) eingebaut, das beispielsweise aus zwei Hälften besteht, welche mit den Muttern 14 staubdicht in den Ring 15 ein- loo gepreßt sind. Der Ring 15 trägt gleichzeitig die Klemmen 16 zum Anschluß der drei Spulenenden. Es seien kurz die elektrischen Eigenschaften des Vierpols beschrieben. Legt man an die eine Spule eine konstante Spannung, deren Frequenz zwischen f_x und f ₂ veränderlich ist, so erhält man an den Klemmen der andern Spule einen von der Frequenz abhängigen Spannungsverlauf gemäß Fig. 3. Die Frequenz f₀ entspricht der Frequenz, auf welche sowohl der Stab als auch die Lagerscheibe abgestimmt sind, wobei im vorliegenden Beispiel diese Arbeitsfrequenz der Grundschwingung sowohl des Stabes als auch der Lagerscheibe entspricht. Aus der Kurve gemäß Fig. 3 läßt sich die Güte Q des Vierpols entsprechend der Definition Q= jrr. bestimmen, wobei Af zwischen den ^11>ς

Spannungswerten, die —^ des maximalen Spannungswertes betragen, gemessen wird. Es konnten Gütefaktoren festgestellt werden, welche 10000 und mehr betrugen. An Hand der Fig. 4 a bis 4 c sei der qualitative Verlauf der Vormagnetisierungsinduktion B, der Güte Q, der Resonanzspannungsübersetzung U und

der Eigenfrequenzverschiebung ~- in der Folge des idE-Effektes (siehe unten) dargestellt, und zwar bei

Änderung der Vormagnetisierungsfeldstärke H. Je nach der Wahl des Arbeitspunktes (Wahl von H) weist somit der Vierpol andere Eigenschaften auf. In der Zone I ergeben sich ein hohes Q₁ eine kleine Spannungsübersetzung U und eine relativ große Abhängigkeit der Frequenz von Feldänderungen. Die Abgleichmöglichkeit durch Zl-E-Effekt liegt in der Größenordnung io~³. In der Zone II ergibt sich ein etwas niedrigeres Q, dafür aber eine große Spannungsüber-Setzung U und eine kleine Abhängigkeit der Frequenz von Feldänderungen.

Da sowohl die Scheibe 2 als auch der Stab i, einmal dimensioniert, eine bestimmte Arbeitsfrequenz besitzen, so müssen Mittel vorgesehen werden, um den fertigen Vierpol auf eine gewünschte Sollfrequenz exakt abzustimmen. Zu diesem Zweck kann die als /IS-Effekt bekannte Eigenschaft der Ferromagnetica ausgenutzt werden. Der Elastizitätsmodul ist nämlich in Funktion der Vormagnetisierung keine Konstante, und es kann deshalb durch Änderung der Vormagnetisierung des Stabes 1 dessen Elastizitätsmodul und damit dessen Eigenfrequenz in kleinen Grenzen verändert werden. Die Vormagnetisierung kann in an und für sich bekannter Weise durch einen Luftspalt im Vormagnetisierungsnuß geändert werden. Diesem Zweck dient der mit Hilfe der Schraube 11 einstellbare Luftspalt im Nebenschlußjoch 10. Falls man den Permanentmagnet 8 an der Scheibe 4 befestigt, so kann auch mit der Schraube 9 am Ende des Magnets 8 ein Luftspalt zum gleichen Zweck vorgesehen werden.

Es ist möglich, je nach gewünschter Stärke der Vormagnetisierung die Joche 10 durch Permanentmagnete zu ersetzen. Es können somit in der Anordnung entweder ein, zwei oder drei Permanentmagnete auf jeder Seite der Lagerscheibe zwischen die Bolzen 3 eingebaut werden.

Da die Frequenzkonstanz des Vierpols bei der Verwendung als Wellenfilter oder als Schwingungsstabilisator auch bei Temperaturschwankungen möglichst groß sein muß, so sind bei der Auswahl der Materialien des Stabes 1 bestimmte Forderungen zu beachten. Für den Stab 1 ist ein Material auszuwählen, dessen Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls gleich groß "ist wie der lineare Ausdehnungskoeffizient, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. In diesem Fall wird der Temperaturkoeffizient der magnetostriktiv erregten Frequenz des Stabes 1 praktisch Null. Versuche mit einem Stab aus einer Legierung von etwa 49 °/₀ Fe, 36% Ni, 12% Cr, ι bis 2% Si, 1% C haben gezeigt, daß nach geeigneter thermischer Behandlung (Glühen bis etwa 850⁰C) ein Frequenzgang kleiner als ι · io~° Hz/Grad erreichbar ist.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, darf der Stab 1 sich quer zur Längsachse nicht verschieben, weil dadurch leicht Störungen der Schwingung auftreten können, sobald der Stab irgendwo die Spulenkörper 7 oder die Abschlußplatten 5 berührt. Wählt man für die Scheibe 2 ein Material, dessen Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Materials des Stabes 1 ist, z. B. eine Legierung aus 36 °/₀ Ni und 64 °/₀ Fe, und preßt man die Scheibe auf den Stab bei einer Temperatur, die unter der mittleren Betriebstemperatur liegt, so erhält man bei Betriebstemperatur eine Einspannung, die für Querverschiebungen genügend starr und stabil ist.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht Ärbeitsfrequenzen im Bereich unterhalb 50 kHz. Für Frequenzen zwischen 50 bis 500 kHz eignet sich speziell die Ausführungsform gemäß Fig. 5. Entsprechend der höheren Arbeitsfrequenzen und den dadurch bedingten kürzeren Dimensionen des Stabes 1 ist auch die Lagerscheibe 2 dünner zu dimensionieren. Um den Rand dieser Scheibe trotzdem starr halten zu können, empfiehlt es sich, statt der in Fig. 1 gezeigten Klemmscheiben 4 die Scheibe 2 mit einem verdickten Rand auszubilden. In diesem Rand können die Bolzen 3 wie in Fig. 1 befestigt und ausgebildet sein. Es lassen sich aber auch Bolzen gemäß Fig. 5 verwenden, welche aus einem inneren durchgehenden Stab 20 mit aufgeschobenen Hülsen 21 bestehen. Die Abschlußplatten 5 tragen in der zentralen Bohrung eine Stellschraube 22, deren Achse in Richtung der Längsachse des schwingenden Stabes 1 weist und von diesem durch den Luftspalt 23 getrennt ist. Diese Anordnung hat zwei Vorteile. Erstens kann auch bei kurzem Stab 1, also bei hohen Frequenzen, der Raum zwischen Abschlußplatte 5 und Scheibe 2 genügend lang gemacht werden, um den Spulenkörper (nicht gezeichnet) einzubauen. Zweitens go erlaubt die Stellschraube 22 auch dann noch eine Feinregulierung der Eigenfrequenz des Stabes 1, wenn man die Permanentmagnete 8 einfach zwischen den Abschlußplatten 5 und der Scheibe 2 einpressen will, unter Weglassung der Stellschrauben 9 und 11 von Fig. i.

In Fig. 5 ist ferner ein Gehäuse 13 (teilweise aufgebrochen) dargestellt, welches staubdicht in einer Grundplatte 24 eingepreßt ist, wobei diese Grundplatte gleichzeitig die vier Anschlußklemmen 25 trägt, also in der Art eines Röhrensockels ausgebildet ist. Anstatt den Stab 1 und die Scheibe 2 in ihrer Grundfrequenz aufeinander abzustimmen, sind natürlich auch andere Kombinationen möglich, z. B. kann man die Grundfrequenz der Platte auf die Frequenz einer Oberschwingung (etwa die dritte oder fünfte) abstimmen, was dann zu empfehlen ist, wenn mit so hohen Frequenzen gearbeitet werden soll, daß ein in der Grundfrequenz arbeitender Stab zu kurz würde, um noch bequem gehandhabt zu werden. Die gleichen Überlegungen für die Abstimmung von Platten und zylindrischen Stäben auf bestimmte Eigenfrequenzen verweisen wir auf die Fachliteratur, z. B. »Hütte, Des Ingenieurs Taschenbuch«.

Claims (13)

1. PATENTANSPRÜCHE: "⁵

   ι. Magnetostriktiver Vierpol, bestehend aus einem magnetostriktiv erregbaren, mit Hilfe von Permanentmagneten vormagnetisierten, in einem Schwingungsknoten gelagerten, longitudinal schwingenden Stab, welcher beidseitig der Lagerstelle von je einer Spule umgeben ist, deren Enden die Klemmen des Vierpols bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisrunde Scheibe, deren Arbeitsfrequenz bei starrer Einspannung des Scheibenrandes der Arbeitsfrequenz des longitudinal

   schwingenden Stabes entspricht, als Lager für den schwingenden Stab dient, indem diese Lagerscheibe in der Mitte des Stabes konzentrisch auf diesen aufgezogen ist, und daß mit dem Rand der Lagerscheibe drei nicht magnetisierbare Bolzen verbunden sind, welche auf beiden Seiten der Lagerscheibe parallel zum schwingenden Stab verlaufen, derart, daß die drei Bolzen die Kanten eines Prismas mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks bilden, wobei die Längsachse des Prismas und des schwingenden Stabes zusammenfallen, und daß an den freien Enden der drei Bolzen auf beiden Seiten der Lagerscheibe und parallel zu dieser Scheibe je eine Abschlußplatte angebracht ist, wobei zwischen jeder Abschlußplatte und der Lagerscheibe eine der genannten Spulen konzentrisch zum schwingenden Stab eingebaut und beidseits der Lagerscheibe wenigstens in einem der drei Räume zwischen je zwei benachbarten Bolzen ein zylindrischer Permanentmagnet parallel zum schwingenden Stab eingespannt und in wenigstens einem der verbleibenden freien Räume ein magnetisierbarer Stab eingebaut ist, welcher als regulierbares Nebenschlußjoch für den magnetischen Fluß zwischen der Lagerscheibe und den Abschlußplatten dient.
2. 2. Vierpol nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerscheibe zur Randverstärkung beidseitig eine ringförmige Klemmscheibe anliegt.
3. 3. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerscheibe einen verdickten Rand aufweist.
4. 4. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Bolzen aus je zwei Hälften bestehen, welche miteinander verschraubt sind, wobei zwischen den beiden Hälften die Lagerscheibe eingeklemmt ist.
5. 5. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Bolzen je aus einem inneren Stab und darübergeschobenen Hülsen bestehen, wobei die Lagerscheibe zwischen zwei Hülsen jedes Bolzens eingeklemmt ist und der innere Stab den Rand der Lagerscheibe durchstößt.
6. 6. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatten eine zentrale Bohrung aufweisen, in welche die Enden des schwingenden Stabes wenigstens teilweise eintauchen.
7. 7. Vierpol nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatten eine zentrale Bohrung aufweisen, in welcher eine Stellschraube eingelassen ist, deren Achse in Richtung der Längsachse des schwingenden Stabes weist, derart, daß die Endfläche der Schraube und die Stirnfläche des Stabes einen Luftspalt begrenzen.
8. 8. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschluß j oche an der Lagerscheibe starr befestigt sind und in der Abschlußplatte gegenüber den Nebenschlußjochen Stellschrauben eingesetzt sind, welche durch einen veränderbaren Luftspalt von den Nebenschlußjochen getrennt sind.
9. 9. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete zwischen Lagerscheibenrand und Abschlußplatte eingebaut sind.
10. 10. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete an der Lagerscheibe starr befestigt sind und in der Abschlußplatte gegenüber den Nebenschlußjochen Stellschrauben eingesetzt sind, welche durch einen veränderbaren Luftspalt vom Permanentmagnet getrennt sind.
11. 11. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in ein zweiteiliges becherförmiges Gehäuse eingeschlossen ist, wobei die beiden Hälften mit einem Ring, der die Lagerscheibe umschließt, staubdicht verbunden sind.
12. 12. Vierpol nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring die Anschlußklemmen des Vierpols trägt.
13. 13. Vierpol nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in ein becherförmiges Gehäuse eingeschlossen ist, das staubdicht mit einer Grundplatte verbunden ist, wobei die Grundplatte wie ein Röhrensockel die Anschlußklemmen des Vierpols trägt.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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