WO2004103661A1 - Vorrichtung und verfahren zum ausrichten magnetisierbarer partikel in einem pastösen material - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ausrichten magnetisierbarer partikel in einem pastösen material Download PDF

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WO2004103661A1
WO2004103661A1 PCT/EP2004/005114 EP2004005114W WO2004103661A1 WO 2004103661 A1 WO2004103661 A1 WO 2004103661A1 EP 2004005114 W EP2004005114 W EP 2004005114W WO 2004103661 A1 WO2004103661 A1 WO 2004103661A1
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particles
magnetic field
zone
field
alignment body
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PCT/EP2004/005114
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Shunli Zhang
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Bakker Holding Son B.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/52—Producing shaped prefabricated articles from the material specially adapted for producing articles from mixtures containing fibres, e.g. asbestos cement
    • B28B1/523—Producing shaped prefabricated articles from the material specially adapted for producing articles from mixtures containing fibres, e.g. asbestos cement containing metal fibres

Definitions

  • the invention relates to a device for aligning magnetizable particles in a pasty material with an alignment body with a wall comprising a front surface section and a rear surface section, the pasty material and the alignment body with its front surface section being movable first relative to each other, the alignment body also being within the Alignment body on the inside of the
  • Front surface section arranged magnet unit which generates a periodically variable, acting on the pasty material magnetic field for aligning the agnetizable particles.
  • the invention further relates to a method for aligning magnetizable particles in a pasty material.
  • the use of steel fibers in concrete to reinforce it has been known for about 20 years.
  • the steel fibers in the concrete are evenly distributed over their volume with random alignment.
  • Those fibers, which are arranged obliquely or even parallel to the attacking force, contribute to this reinforcing effect only to a lesser extent or not at all.
  • Compared to concrete bodies with randomly distributed steel fibers can therefore be reduced in a concrete body with steel fibers aligned in the desired manner, the dosage without. the specific load behavior of the concrete body deteriorates noticeably.
  • the device consists of an alignment body designed as a hollow profile, which in turn consists of a non-magnetic material.
  • the alignment body has a circular arc-shaped front surface section in cross section, which tapers in a straight line over two flank sections in the direction of a rear surface section.
  • a rotatably mounted roller is arranged concentrically with the arc-shaped front surface section and has one or more, in particular three, permanent magnets arranged at a distance of 120 ° from one another on its outer peripheral surface.
  • the gap is minimized between the inside of the front surface portion and the peripheral surface of the roller.
  • the device i.e. the aligning body with a rotating roller moves transversely to its longitudinal axis through the concrete body or the pasty concrete containing the fibers to be aligned, relative to the stationary aligning body, the concrete bending the aligning body along the same
  • a second, substantially smaller magnetic roller is arranged in the region of the transition from the front surface section to the flank section.
  • the arrangement of the on the magnets present in the second roller and the ratio of the diameters of the two rollers to one another is selected such that the magnetic field of the first roller leading around the front surface section is shielded to a certain extent in the region of the second roller, ie in the direction of the fibers, so that the release of the aligned fibers at the desired position is improved.
  • a disadvantage of the described device or the method carried out with this device is that only fibers can be aligned in the immediate vicinity of the device, so that fibers further away maintain their random alignment.
  • the orientation of the fibers is not optimal due to the comparatively high residual field strength at the release position.
  • a mere increase in the magnetic field strength through the use of stronger magnets would increase the range of the magnetic field to a limited extent, but would significantly reduce the quality of the layer structure as a result of poorer release of the aligned particles.
  • the device should also be able to be implemented without great technical outlay and costs. Further objects of the invention result from the following description of the invention and the exemplary embodiments.
  • the previously derived object is achieved with a device of the type mentioned in the introduction in that the magnetic field is divided into at least two zones with partial fields of different field strength and / or different field line course, the partial field of the first zone exerting a long-range attractive and aligning force on the particles and the subfield of the second zone releases the particles again in the aligned position.
  • the division according to the invention of the magnetic field generated by the magnet unit into at least two zones with partial fields of different field strength and / or different field line course on the one hand ensures that the particles are also aligned which are at a comparatively large distance from the alignment body.
  • the subfield of the second zone ensures that the particles are released again precisely in the intended position on the wall of the alignment body, which means, for example, that a layer to be formed from aligned particles in the pasty material has the desired properties, in particular a high fiber density the layer plane with the smallest possible layer thickness.
  • the alignment body provided according to the invention can consist of any material.
  • Non-magnetic materials are particularly suitable since they do not hinder the release of the aligned particles on the wall of the alignment body in the position provided for this due to their own magnetic field.
  • its range can be adjusted by appropriate selection of the field strength and the field line course of the partial field in this zone.
  • the proportion of the particles in the pasty material that are also to be aligned by the device according to the invention, or the proportion of the particles that are to remain in the material in a random orientation can be set exactly.
  • the material properties of the pasty material such as its viscosity or the size and shape of other fillers contained therein, are also taken into account.
  • the field line course in the magnet unit can be set in different ways.
  • An advantageous setting is that the field lines of the magnetic field of the magnet unit run exclusively in one plane perpendicular to the relative movement between the alignment body and the pasty material. The particles are thus aligned exclusively in this plane. The consequence of this is that the particles can be released again particularly easily in the position provided on the wall of the alignment body, since there is no formation of a network of magnetized particles along the direction of the relative movement, which results in a strong cohesion between the magnetized particles causes and thus their release difficult.
  • Another possibility for setting the field line course is that the field lines run in one plane parallel to the relative movement between the alignment body and the pasty material.
  • this can be effectively countered by a particularly variable field line course.
  • the partial field of the first zone exerting a long-range attractive force on the particles
  • the second zone exerting a holding force on the particles, through which these are aligned and that the third zone releases the particles again in the aligned position.
  • the alignment of particles located relatively far from the alignment body is still ensured, on the other hand these are particularly precisely aligned by the moderate holding force generated by the subfield of the second zone and finally by the subfield of the third zone after reaching it released the desired position in the pasty material.
  • This division of the magnetic field consequently makes it possible that, despite the strong, long-range attraction of the subfield of the first zone, the quality of the particle alignment and its controlled release at the intended position is not impaired.
  • the field line course of the magnetic field of the magnetic unit is combined from portions which run in a plane perpendicular to the relative movement between the alignment body and the pasty material and portions which run parallel to the relative movement.
  • This type of combined field line course in particular enables the aligned particles are distributed particularly evenly in the target volume and no longer have any tendency to accumulate along such field lines which run exclusively parallel or perpendicular to the relative movement between the alignment body and the pasty material.
  • the spatial and temporal continuity of the alignment process can also be achieved if the relative speed between the alignment body and the pasty material and the frequency of the periodically changing magnetic field are not optimally coordinated.
  • the first and second zones can each cover approximately a 90 ° area and the third zone an approximately 180 "area of the cross section of the magnet unit.
  • the three it is also expedient for the three to cover the cross section of the magnet unit by approximately 120 ° zones.
  • the magnet unit generating the periodically changing magnetic field is designed as a rotating body with a static field distribution.
  • the alignment body is advantageously designed as a hollow profile extending transversely to the direction of the relative movement between the alignment body and the pasty material, the cross section of which is like a Wing cross-section tapers from the substantially semicircularly curved front surface section tapering over two flank surfaces to the rear surface section.
  • this shape favors the alignment of the particles during their transport along the curved and on the other hand their controlled release at the transition between one end of the front surface section and a flank surface.
  • the design of the magnet unit as a rotating cylindrical roller, the axis of rotation of which coincides with the central axis of the semicircularly curved front surface section, ensures that the gap between the inside of the front surface section of the alignment body and the magnetic roller is minimal, so that its magnetic field is low-loss on the alignment body surrounding pasty material can act.
  • the magnetic roller expediently extends over the entire length of the alignment body. Accordingly, the field lines lying in one plane parallel to the relative movement between the alignment body and the pasty material run in the axial direction of the magnetic roller, while the field lines lying in one plane parallel to the relative movement run in the circumferential direction the magnetic roller.
  • the magnetic field formed from the three partial fields when this is generated by permanent magnets there is a high degree of variability in the formation of the magnetic field formed from the three partial fields when this is generated by permanent magnets.
  • Particularly high field strengths can be generated with permanent magnets made of an NdFeB alloy.
  • the function of the third zone of the magnetic field is to release the particles again in the aligned position. This can be achieved particularly effectively in that the subfield of the third zone is generated by a soft magnetic material, in particular a low-carbon steel. This leads to a backflow of the magnetic field lines that is spatially restricted to the soft magnetic material, with the result that radially outside this zone the field strength of the magnetic field almost disappears and the particles in this area experience practically no more attractive force.
  • the object is achieved by a method using the device described above.
  • the advantages of this device apply equally to the method according to the invention. This has a wide range of applications, in particular if. Concrete that is not set is used as a pasty material and the particles are formed as steel fibers.
  • the particles can also be designed as steel rings.
  • Their use proves to be particularly advantageous if, for example, a thin layer is to be produced in a concrete slab subjected to bending.
  • steel rings a particularly high degree of overlap of the individual particles is achieved in the layer plane, which increases the effectiveness of the structural reinforcement. This enables, among other things compared to the use of conventional one-dimensionally shaped steel chips or fibers, a reduction in the use of materials without a noticeable deterioration in the load behavior of the reinforced component.
  • FIG. 2 shows the functional principle of the device of FIG. 1 in a schematic representation
  • FIG. 3 shows the magnet unit of the device of FIG. 1 in a three-pole arrangement
  • FIG. 4 shows the magnet unit of the device of FIG. 1 in a two-pole arrangement with radial magnet alignment
  • FIG. 6 shows the magnet unit of the device of FIG. 1 in an asymmetrical magnet arrangement with a bucking pole
  • Fig. 7 shows the magnet unit of the device of Fig. 1 in an asymmetrical magnet arrangement with a linear Halbach array.
  • 8 shows the magnet unit of the device of FIG. 1 in an alternative embodiment with an axially aligned linear Halbbach array,
  • Fig. 10 shows the magnet unit of the device of Fig. 1 in a further alternative embodiment with a combined axially and radially offset arrangement of the magnets and sections
  • FIG. 11 shows the magnet unit of FIG. 10 in cross section along the line XI-XI of FIG. 10 with the field line curve shown.
  • the device has an alignment body 1 in the form of a hollow profile, which consists of a non-magnetic material.
  • the hollow profile comprises an arc-shaped front surface section 1 a, which tapers in a straight line over two flank sections 1 c in the direction of a rear surface section 1 b.
  • a magnet unit 2 which is designed as a rotatably mounted, cylindrical roller arranged concentrically with the circular-arc-shaped front surface section 1 a.
  • the magnetic roller 2 is equipped with permanent magnets along its longitudinal axis and is set in rotation, for example, by one or more electric motors (not shown).
  • a rotating, ie periodically changing, magnetic field acting on the particles contained in the pasty material generated which is divided into three zones I, II, III with sub-fields of different field strength and / or different field line course.
  • the first and second zones each cover a 90 "region and the third zone the remaining 180 ° region of the circular cross section of the magnet unit.
  • the radius of the magnet roller 2 is only slightly smaller than the radius of curvature of the front surface section la, so that the gap between the inside of the front surface section la and the circumferential surface of the magnetic roller 2 is minimal and the magnetic field of the magnetic roller 2 can act with little loss on the pasty material surrounding the alignment body 1.
  • the magnet unit is arranged fixed in the alignment body and the periodically changing magnetic field is realized by an arrangement of individually controllable electromagnets within the alignment body.
  • FIG. 2 The principle of operation of the device is shown schematically in FIG. 2. Accordingly, the alignment body 1 with the rotating magnetic roller 2 arranged therein is moved transversely to its longitudinal axis lf through a pasty material 3 in the form of a non-set concrete layer, which contains magnetizable particles 4 in the form of steel fibers or steel rings. Likewise, the pasty concrete 3 can be moved relative to the stationary alignment body 1. In both cases, the concrete 3 flows around the alignment body 1 along its curved front surface section la. The magnetic roller 2 rotates counterclockwise, so that the magnetizable particles 4 in the manner described below can be arranged in a layer 6 below the alignment body 1. As can easily be seen in FIG. 2, the field lines run in a plane parallel to the relative movement between the alignment body 1 and the pasty material 3.
  • the partial field of the first zone I exerts a long-range attractive force on the steel fibers 4, so that the fibers 4 move in an elongated area 7 in front of the front surface section 1 a of the alignment body 1.
  • the partial field of the second zone II exerts a holding force on the attracted particles 4, by means of which they are transported downward along the front surface section la in accordance with the direction of rotation of the magnetic roller 2 and thereby aligned.
  • the partial field of the third zone III the field strength of which virtually disappears radially outside the alignment body 1 within this zone due to the closed magnetic field lines, releases the particles 4 in the aligned position approximately at the point le of the transition of the circularly curved front surface section la into the lower flank section lc ,
  • the rotation of the total magnetic field of the magnetic roller 2 composed of the three partial fields means that the partial field of the first zone I on the. Point of release of the particles 4 acts. Accordingly, the detachment of the particles from the wall of the alignment body 1 is regularly difficult for a short time, which would lead to an undesired undulating structure of the particle layer ⁇ to be formed. However, this can be effectively countered by making the rotation frequency of the magnetic roller very high relative to the movement of the alignment body 1 in the concrete layer is, whereby a possible wave structure of the layer 6 is smoothed.
  • a strong permanent magnet 8 preferably made of an NdFeB alloy, extends radially outward from a point near the axis of rotation of the magnetic roller 2. Its outer end face 8a, on which the magnetic north pole is located, is shaped in accordance with the curvature of the magnetic roller, so that the magnetic roller can rotate with a minimal gap to the inner surface of the front surface section la of the alignment body 1.
  • a pole shoe 9 made of a soft magnetic material is inside the magnetic roller 2; preferably a soft unalloyed steel.
  • the pole piece 9 comprises a central section 9a which is flush with the inner end face of the permanent magnet 8, on which its magnetic south pole is located, and surrounds the axis of rotation of the magnetic roller 2.
  • An end section 9b projects from the central section 9a on both sides. Both end sections 9b are slightly angled in the direction of the permanent magnet 8 and extend to the outer circumference of the magnetic roller 2, their respective outer end faces 9c also being adapted to the circumferential curvature of the magnetic roller.
  • the magnetic field generated by this magnet arrangement is divided into two zones I, II and is graphically represented by its field lines.
  • the first zone I is formed by the permanent magnet 8 and the pole piece 9.
  • the pole piece 9 is due to the strong permanent magnet 8 agnetizes, so that a magnetic south pole is formed at each of its end sections 9b.
  • the field lines run from the north pole of the permanent magnet 8 through the space surrounding the magnet roller or the aligning body enclosing it to the end sections 9b of the pole piece 9, with the result that the region 10 of the magnet roller which is rearward with respect to the magnet arrangement and which forms the second zone II forms and can be filled with aluminum or steel, for example, is interspersed with a field of only low field strength.
  • the field generated by the north pole of the permanent magnet 8 exerts an attractive force, in particular on agnetizable material, which is located in an area in the extension of its longitudinal axis.
  • the magnet arrangement of FIG. 3 is characterized in particular by low manufacturing effort and thus low costs.
  • the magnet arrangement according to FIG. 4 comprises two permanent magnets 11, 12 which extend radially outward from the axis of rotation of the magnetic roller 2 and which have essentially the same size and strength.
  • Both magnets 11, 12 are preferably made of an NdFeB alloy.
  • the magnets 11, 12 are at an acute angle of approximately 60 ° to one another and extend approximately from the axis of rotation of the magnetic roller 2 to their circumferential surface, the outer end faces of the magnets 11, 12 in turn being adapted to the circumferential curvature of the magnetic roller 2 by the gap between To minimize the magnetic roller and front surface section of the alignment body (not shown here).
  • Both magnets 11, 12 are oriented in opposite directions, so that in the case of the first magnet 11 the north pole points outwards and in the case of the second magnet 12 the south pole.
  • an area 13 made of a soft magnetic material, preferably a soft unalloyed steel, which extends over 180 ° and thus over half the cross-sectional area of the magnetic roller 2.
  • the magnetic field generated by this magnet arrangement is in turn divided into two zones I, II and is visualized by its field line course.
  • the partial field of the first zone is generated by the angularly arranged magnets 11, 12. Their opposite orientation creates a magnetic field that projects deep into the room and thus exerts a far-reaching attraction.
  • the residual field strength in the area surrounding the second zone is negligible, which is a prerequisite for the attracted and aligned particles to be released again at the desired location.
  • a magnetic field divided into three zones I *, II *, III * is generated by the asymmetrical magnet arrangement of the magnetic roller 2 shown in FIG. 5 (see FIG. 5b).
  • the order of the arrangement of zones I *, II *, III * is reversed. Consequently, the magnetic roller 2 of FIG. 5 rotates clockwise during operation and the particles 4 to be aligned are arranged above the alignment body 1 in the pasty material 3.
  • the magnetic roller 2 itself is divided into two 180 "sectors 14, 15 with a central cutting surface D.
  • the sector 14 is in turn divided into two 90" sectors 14a, 14b.
  • a strong permanent magnet 16 is arranged in the sector 14a and extends at right angles from the cut surface D in the direction of the opposite peripheral surface of the magnetic roller 2, so that its north pole is located in the region of the peripheral surface of the magnetic roller 2.
  • a second weaker permanent magnet 17 is arranged parallel to the first magnet 16, but oriented in the opposite direction.
  • Both magnets 16, 17 preferably consist of an NdFeB alloy and are adapted with respect to their outer end faces to the curvature of the peripheral surface of the magnetic roller 2.
  • the spaces between the magnets 16, 17 are filled with a non-magnetic material, such as aluminum.
  • the second 180 "sector 15 consists entirely of a soft magnetic material, preferably a soft unalloyed steel.
  • the partial field generated by the strong magnet 16 in the first zone I * exerts a particularly long-range attraction force on the magnetizable particles, which are contained in the material surrounding the magnetic roller 2 or the alignment body 1.
  • the partial field of the second zone II * is weaker than that of the first zone I *, but is therefore preferably suitable for transporting the particles attracted by the magnetic field of the first zone I * to the release position and thereby aligning them in the desired manner.
  • the soft magnetic material of the sector 15 ensures that the returning field lines of the poles Magnets 16, 17 are almost completely enclosed in the partial field of the third zone III *, so that practically no force acts on the particles outside and they can thus be easily released in the aligned position.
  • the magnets 16, 17 are spatially connected by a further transversely arranged magnet 19, the north pole of this magnet 19 pointing towards the strong magnet 16 of the first zone I *.
  • the range of the partial field of the first zone I * can be increased even further, so that magnetizable particles can be attracted from an even greater distance.
  • FIG. 7 is also based on the asymmetrical magnet arrangement of FIG. 5.
  • two further transversely arranged magnets 20, 21 are provided in the 180 "sector 14 abut the respective outer longitudinal sides of the magnets 16, 17 and are oriented such that the strong magnet 16 faces the north pole and the weaker magnet 17 the south pole, which is a total of five magnets 16, 17, 19, 20, 21 existing arrangement corresponds to that of a linear Halbach ' Arrays.
  • the arrangement with a bucking pole or with a Halbach array can also be implemented in the two-pole arrangement with radial magnetic alignment, for example according to FIG. 4, and improves its effect in relation to the attraction and alignment of the magnetizable particles.
  • the magnetic roller 2 * is equipped with a number of permanent magnets 22a-22e arranged one behind the other in the axial direction of the roller 2 *, preferably made of NdFeB.
  • the block-shaped magnets 22a-22e which can be produced particularly cost-effectively, in turn form a linear Halbach array which, in this exemplary embodiment, is oriented in the axial direction of the magnetic roller 2 * in contrast to those described above. Accordingly, the field lines run strictly in the axial direction of the roller 2 *, that is to say in a plane perpendicular to the relative movement between the alignment body 1 and the pasty material 3 (see FIG. 2).
  • a magnetic field consisting of two zones I **, II ** is formed by the magnetic roller according to FIG. 8, in which the partial field of the first zone I ** exerts a long-range force on the particles present in the pasty material and the vanishing one subfield the second zone n ** releases the particles again approximately at position le of the alignment body.
  • the magnets 22a-22e are fastened on a roller block 23 with a semicircular cross section.
  • the roller block 23 preferably consists of a magnetic, high-permeability steel.
  • the particular advantage of this axial arrangement of the magnets is that, due to the axial course of the magnetic field lines (see FIG. 9), they do not scatter in the circumferential direction of the magnetic roller, i.e. the magnetic field is strictly limited in the circumferential direction. As a result, there is no network formation under the magnetized particles in the circumferential direction of the magnetic roller, which regularly makes it more difficult to detach the aligned particles. Furthermore, the axial field line course results in a particularly extensive zone in which the magnetic field disappears, which in turn facilitates the release of the aligned particles.
  • FIGS. 10 and 11 another embodiment of the invention is shown in FIGS. 10 and 11.
  • the magnetic roller 2 ** is equipped in a recurring order with permanent magnets 24a, 24b, 25 preferably made of NdFeB in such a way that along the longitudinal axis of the magnet unit there are two magnets 24a, 24b arranged next to one another, symmetrically to the longitudinal axis, with an identical orientation with one Alternate stronger, central magnets 25 with opposite orientations.
  • the magnets 24a, 24b, 25 are in turn fastened on a roller block 26 with a semicircular cross section.
  • the roller block 23 preferably consists of a magnetic steel with high permeability.
  • FIG. 11 shows the field line course of the magnet unit 2 ** according to the invention projected onto the viewing plane.
  • the field lines run from the north pole of the central magnet 25 to the south poles of the magnets 24a, 24b arranged next to one another and offset from the magnet 25.
  • the field lines have portions oriented perpendicular to the longitudinal axis of the magnet unit 2 ** and thus run in a plane parallel to the relative movement between the alignment body and the pasty material.
  • they also have portions running in the axial direction, as a result of which the axial offset between the magnet pairs 24a, 24b and the central magnet 25 is bridged.
  • the particular advantage of such a magnet arrangement is that the aligned particles are distributed particularly evenly in the target volume and no longer have any tendency to accumulate along field lines running exclusively parallel or perpendicular to the relative movement between the alignment body and the pasty material.

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel (4) in einem pastösen Material (3), insbesondere von Stahlfasern oder -ringen in nicht abgebundenem Beton, mit einem Ausrichtkörper (1) mit einer einen Frontflächenabschnitt (1a) und einen hinteren Flächenabschnitt (1b) umfassenden nichtmagnetischen Wand, wobei das pastöse Material (33) und der Ausrichtkörper (1) mit dessen Frontflächenabschnitt (1a) zuvorderst relativ zueinander bewegt werden, wobei der Ausrichtkörper (1) ferner eine innerhalb des Ausrichtkörpers (1) an der Innenseite des Frontflächenabschnittes (1a) angeordnete Magneteinheit (2) aufweist, welche zum Ausrichten der magnetisierbaren Partikel (4) ein periodisch veränderliches, auf das pastöse Material wirkendes Magnetfeld erzeugt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in mindestens zwei Zonen (I, II) mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist, wobei das Teilfeld der ersten Zone (I) eine langreichweitige anziehende und ausrichtende Kraft auf die Partikel ausübt und das Teilfeld der zweiten Zone (II) die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material mit einem Ausrichtkörper mit einer einen Frontflächenabschnitt und einen hinteren Flächenabschnitt umfassenden Wand, wobei das pastöse Material und der Ausrichtkörper mit dessen Frontflächenabschnitt zuvorderst relativ zueinander bewegbar sind, wobei der Ausrichtkörper ferner eine innerhalb des Ausrichtkörpers an der Innenseite des
Frontflächenabschnittes angeordnete Magneteinheit aufweist, welche zum Ausrichten der agnetisierbaren Partikel ein periodisch veränderliches, auf das pastöse Material wirkendes Magnetfeld erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material.
Die Verwendung von Stahlfasern in Beton zu dessen Verstärkung ist seit ca. 20 Jahren bekannt. Dabei sind die Stahlfasern im Beton über sein Volumen gleichmäßig mit zufälliger Ausrichtung verteilt. Bei einer beispielsweise auf Biegung belasteten Betonplatte ist es wünschenswert, daß die Fasern in einer Ebene senkrecht zur angreifenden Biegekraft verteilt sind, so daß sie den Betonkörper entsprechend seiner Belastung maximal verstärken können. Diejenigen Fasern, die schräg oder gar parallel zur angreifenden Kraft angeordnet sind, tragen zu diesem Verstärkungseffekt nur vermindert oder gar nicht bei. Gegenüber Betonkörpern mit regellos verteilten Stahlfasern kann daher bei einem Betonkörper mit in der gewünschten Weise ausgerichteten Stahlfasern deren Dosierung reduziert werden, ohne daß sich. das spezifische Belastungsverhalten des Betonkörpers merklich verschlechtert.
Neben dem Vorteil einer gezielten strukturellen Verstärkung des jeweiligen Betonbauteils durch das Ausrichten der enthaltenen Fasern, beispielsweise bei Industriefußböden, sind auch weitere Anwendungen solcher Betonbauteile denkbar. So läßt' sich durch die Ausrichtung der Stahlfasern in einer Ebene beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht in einer Betonwand erzeugen, wodurch diese beheizt oder eine elektromagnetische Abschirmung realisiert werden kann.
Aus dem Stand der Technik der offengelegten US- Patentanmeldung US 2002/0182395 AI und der veröffentlichten Internationalen Anmeldung WO/9967072 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Fasern in einem viskosen Körper, insbesondere von Stahlfasern in nichtabgebundenem Beton, bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem als Hohlprofil ausgebildeten Ausrichtkörper, welcher seinerseits aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Der Ausrichtkörper weist im Querschnitt einen kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt auf, welcher über zwei Flankenabschnitte in Richtung eines hinteren Flächenabschnitts geradlinig spitz zuläuft. Konzentrisch mit dem kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt ist in dem Ausrichtkörper eine drehbar gelagerte Walze angeordnet, welche auf ihrer äußeren Umfangsfläche einen oder mehrere, insbesondere drei in einem Abstand von jeweils 120° zueinander angeordnete, Permanentmagneten aufweist. Da der Radius der Walze nur geringfügig kleiner ist als "der Krümmungsradius des Frontflächenabschnittes, ist der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes und der Umfangsflache der Walze minimiert. Durch Drehung der Magnetwalze wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, welches die nichtmagnetische Wand des Ausrichtkörpers durchdringt und auf das den Ausrichtkörper- umgebende Material wirkt.
Gemäß dem angegebenen Verfahren zum Ausrichten der Fasern im nichtabgebundenen Beton wird die Vorrichtung, d.h. der Äusrichtkörper mit rotierender Walze, quer zu seiner Längsachse durch den Betonkörper bzw. der pastöse, die auszurichtenden Fasern enthaltende Beton relativ zum stationären Ausrichtkörper bewegt, wobei der Beton den Ausrichtkörper entlang dessen gebogenen
Frontflächenabschnitts umfließt. Durch das von den auf der rotierenden Walze angeordneten Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld werden die auf den Frontflächenabschnitt treffenden Fasern entsprechend der Rotationsrichtung der Walze um den Ausrichtkörper herumbewegt. Beim Übergang des kreisförmig gebogenen Frontflächenäbschnittes in den geradlinigen Flankenabschnitt schwächt sich das Magnetfeld der rotierenden Magneten an der Wand des Ausrichtkörpers stark ab, da diese sich von der Wand wieder entfernen. Folglich bleiben die Fasern in ausgerichteter Position zurück. Aufgrund der kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Beton und Ausrichtkörper bildet sich somit entlang des vom Ausrichtkörper relativ zum Beton zurückgelegten Weges eine Schicht ausgerichteter Fasern.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der bekannten Vorrichtung ist innerhalb der Magnetwalze zusätzlich zu dieser eine zweite wesentlich kleinere Magnetwalze im Bereich des Übergangs des Frontflächenabschnittes in den Flankenabschnitt angeordnet. Die Anordnung des auf der zweiten Walze vorhandenen Magneten sowie das Verhältnis der Durchmesser beider Walzen zueinander ist derart gewählt, daß das die Fasern um den Frontflächenabschnitt herumführende Magnetfeld der ersten Walze im Bereich der zweiten Walze nach außen, d.h. in Richtung der Fasern, zu einem gewissen Grade abgeschirmt ist, so daß die Freigabe der ausgerichteten Fasern an der gewünschten Position verbessert ist.
Nachteilig an der beschriebenen Vorrichtung bzw. dem mit dieser Vorrichtung durchgeführten Verfahren ist, daß lediglich Fasern in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung ausgerichtet werden können, so daß weiter entfernt liegende Fasern ihre regellose Ausrichtung beibehalten. Zudem ist die Ausrichtung der Fasern aufgrund der vergleichsweise hohen Restfeldstärke an der Freigabeposition nicht optimal. Eine bloße Erhöhung der Magnetfeldstärke durch den Einsatz stärkerer Magneten würde zwar die Reichweite des Magnetfeldes begrenzt erhöhen, dabei die Qualität des Schichtaufbaus jedoch infolge einer verschlechterten Freigabe der ausgerichteten Partikel erheblich vermindern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Vorrichtung des Standes der Technik so weiterzubilden, daß eine noch gezieltere Ausrichtung einer wesentlich größeren Zahl in einem pastösen Material enthaltener Partikel möglich wird. Die Vorrichtung soll sich ferner ohne großen technischen Aufwand und Kosten realisieren lassen. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung und den Ausführungsbeispielen. Die zuvor hergeleitete Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Magnetfeld in mindestens zwei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist, wobei das Teilfeld der ersten Zone eine langreichweitige anziehende und ausrichtende Kraft auf die Partikel ausübt und das Teilfeld der zweiten Zone die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
Durch die erfindungsgemäße Einteilung des durch die Magneteinheit erzeugten Magnetfeldes in mindestes zwei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs wird einerseits erreicht, daß auch die Partikel ausgerichtet werden, die einen vergleichsweise großen Abstand zum von Ausrichtkörper aufweisen. Andererseits wird durch das Teilfeld der zweiten Zone erreicht, daß die Partikel präzise in der dafür vorgesehenen Position an der Wand des Ausrichtkörpers wieder freigegeben werden, wodurch beispielsweise eine aus ausgerichteten Partikeln zu formende Schicht in dem pastösen Material die gewünschten Eigenschaften, insbesondere eine hohe Faserdichte in der Schichtebene bei gleichzeitig möglichst geringer Schichtdicke, erhält.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Ausrichtkörper kann aus einem beliebigen Material bestehen. Besonders geeignet sind nichtmagnetische Materialien, da diese die Freigabe der ausgerichteten Partikel an der Wand des Ausrichtkörpers in der dafür vorgesehenen Position infolge eines eigenen Magnetfeld nicht behindern. Hinsichtlich der durch das Teilfeld der ersten Zone erzeugten, auf die auszurichtenden Partikel wirkenden anziehenden Kraft kann deren Reichweite durch entsprechende Wahl des Feldstärke .und des Feldlinienverlaufs des Teilfeldes in dieser Zone eingestellt werden. Somit kann der Anteil der Partikel in dem pastösen Material, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ausgerichtet werden sollen, bzw. der Anteil der Partikel, die weiterhin in regelloser Ausrichtung in dem Material verbleiben sollen, exakt eingestellt werden. Dabei werden ebenso die Materialeigenschaften des pastösen Materials, so z.B. dessen Viskosität bzw. die Größe und Form weiterer darin enthaltener Füllstoffe, berücksichtigt.
Der Feldlinienverlauf in der Magneteinheit lässt sich in verschiedener Weise einstellen. Eine vorteilhafte Einstellung besteht darin, dass die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit ausschließlich in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Es erfolgt somit eine Ausrichtung der Partikel ausschließlich in dieser Ebene. Dies hat zur Folge, daß die Partikel besonders leicht in der dafür vorgesehenen Position an der Wand des Ausrichtkörpers wieder freigegeben werden können, da es nicht zu einer Ausbildung eines Netzwerks magnetisierter Partikel entlang der Richtung der Relativbewegung kommt, die einen starken Zusammenhalt zwischen den magnetisierten Partikeln bewirkt und somit deren Freigabe erschwert.
Eine weitere Möglichkeit der Einstellung des Feldlinienverlaufs besteht darin, dass die Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Hier kommt es zwar zu der bereits geschilderten Netzwerkbildung. Dieser kann aber durch einen besonders variabel gestaltbaren Feldlinienverlauf wirksam begegnet werden. Hierbei ist es beispielsweise möglich, das Magnetfeld der Magneteinheit in drei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs einzuteilen, wobei das Teilfeld der ersten Zone eine langreichweitige anziehende Kraft auf die Partikel ausübt, das der zweiten Zone eine Haltekraft auf die Partikel ausübt, durch welche diese ausgerichtet werden, und das der dritten Zone die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt. Durch die Einteilung des Magnetfeldes in drei Zonen ist einerseits weiterhin auch die Ausrichtung relativ weit vom Ausrichtkörper entfernt liegender Partikel gewährleistet, andererseits werden diese durch die durch das Teilfeld der zweiten Zone erzeugte moderate Haltekraft besonders präzise ausgerichtet und schließlich durch das Teilfeld der dritten Zone nach Erreichen der gewünschten Lage in dem pastösen Material wieder freigegeben. Diese Einteilung des Magnetfeldes ermöglicht es folglich, daß trotz der starken, langreichweitigen Anziehungskraft des Teilfeldes der ersten Zone die Qualität der Partikelausrichtung und deren kontrollierte Freigabe an der dafür vorgesehenen Position nicht beeinträchtigt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Feldlinienverlauf des Magnetfelds der Magneteinheit kombiniert aus Anteilen, welche in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen, und Anteilen, welche parallel zur Relativbewegung verlaufen, zusammengesetzt. Durch diese Art des kombinierten Feldlinienverlaufs wird insbesondere ermöglicht, dass die ausgerichteten Partikel besonders gleichmäßig in dem Zielvolumen verteilt sind und keinerlei Tendenz mehr zur gehäuften Ansammlung entlang solcher Feldlinien aufweisen, welche ausschließlich parallel bzw. senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Zudem ist die örtliche und zeitliche Stetigkeit des Ausrichtprozesses auch dann erreichbar, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material und die Frequenz des periodisch veränderlichen Magnetfeldes nicht optimal aufeinander abgestimmt sind.
Bei der Einteilung des von der Magneteinheit erzeugten Magnetfeldes, dessen Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen, in die unterschiedlichen Zonen haben sich insbesondere zwei Lösungen als besonders vorteilhaft erwiesen. So kann einerseits die erste und die zweite Zone jeweils etwa einen 90°-Bereich und die dritte Zone einen etwa 180 "-Bereich des Querschnitts der Magneteinheit überdecken. Zweckmäßig ist jedoch auch jeweils eine etwa 120°-Überdeckung des Querschnitts der Magneteinheit durch die drei Zonen.
Die Vorrichtung läßt sich insbesondere dadurch ohne zu großen technischen Aufwand und Kosten realisieren, daß die das periodisch veränderliche Magnetfeld erzeugende Magneteinheit als rotierender Körper mit statischer Feldverteilung ausgebildet ist. Wie bereits beim Stand der Technik gezeigt, ist der Ausrichtkörper vorteilhafterweise als ein sich quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper und pastösem Material erstreckendes Hohlprofil ausgebildet, dessen Querschnitt nach Art eines Tragflächenquerschnitts von dem im wesentlichen halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitt sich verjüngend über zwei Flankenflächen zum hinteren Flächenabschnitt zuläuft. Diese Form begünstigt einerseits die Ausrichtung der Partikel bei ihrem Transport entlang des gebogenen und andererseits ihre kontrollierte Freigabe am Übergang zwischen dem einen Ende des Frontflächenabschnittes und einer Flankenfläche.
Durch die Ausbildung der Magneteinheit als eine rotierende zylindrische Walze, deren Rotationsachse mit der Mittelachse des halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitts zusammenfällt, ist gewährleistet, daß der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes des Ausrichtkörpers und der Magnetwalze minimal ist, so daß deren Magnetfeld verlustarm auf das den Ausrichtkörper umgebende pastöse Material wirken kann. " Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Magnetwalze dabei über die gesamte Länge des Ausrichtkörpers. Entsprechend verlaufen die in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material liegenden Feldlinien in axialer Richtung der Magnetwalze, während die in einer Ebene parallel zur Relativbewegung liegenden Feldlinien in Umfangsrichtung der Magnetwalze verlaufen.
Eine hohe Variabilität bei der Formung des aus den drei Teilfeldern gebildeten Magnetfeldes ist dann gegeben, wenn dieses von Permanentmagneten erzeugt wird. Besonders hohe Feldstärken lassen sich mit Permanentmagneten aus einer NdFeB-Legierung erzeugen. Dazu ist es zweckmäßig, wenn mindestens einer der Permanentmagneten aus dieser Legierung besteht . Im Falle eines in drei Zonen eingeteilten Magnetfeldes besteht die Funktion der dritten Zone des Magnetfeldes darin, die Partikel in ausgerichteter Position wieder freizugeben. Dies läßt sich besonders effektiv dadurch erreichen, daß das Teilfeld der dritten Zone von einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem kohlenstoffarmen Stahl, erzeugt wird. Dies führt zu einem räumlich auf das weichmagnetische Material beschränkten Rückfluß der Magnetfeldlinien mit der Folge, daß radial außerhalb dieser Zone die Feldstärke des Magnetfelds annähernd verschwindet und die Partikel in diesem Bereich praktisch keine anziehende Kraft mehr erfahren.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gelöst. Die Vorteile dieser Vorrichtung gelten in gleichem Maße auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieses hat insbesondere dann ein großes Anwendungsspektrum, wenn .als pastöses Material nicht abgebundener Beton verwendet wird und die Partikel als Stahlfasern ausgebildet sind.
Alternativ können die Partikel auch als Stahlringe ausgebildet sein. Deren Einsatz erweist, sich als besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise eine dünne Schicht in einer auf Biegung belasteten Betonplatte erzeugt werden soll. Bei der Verwendung von Stahlringen wird dabei ein besonders hoher Überlappungsgrad der einzelnen Partikel in der Schichtebene erreicht, wodurch die Effektivität der strukturellen Verstärkung erhöht wird. Dies ermöglicht u.a. gegenüber der Verwendung konventioneller eindimensional geformter Stahlspäne- oder fasern eine Reduzierung des Materialeinsatzes ohne eine sprürbare Verschlechterung des Belastungsverhaltens des verstärkten Bauteils.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a,b eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material in schematischer Darstellung im Querschnitt und perspektivisch,
Fig. 2 das Funktionsprinzips der Vorrichtung der Fig. 1 in schematischer Darstellung,
Fig. 3 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer Dreipol-Anordnung,
Fig. 4 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer Zweipol-Anordnung mit radialer Magnetausrichtung,
Fig. 5 a,b die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung,
Fig. 6 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung mit Bucking Pol,
Fig. 7 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung mit linearem Halbach-Array. Fig. 8 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer alternativen Ausführung mit axial ausgerichtetem linearen Halbbach-Array,
Fig. 9 der Feldlinienverlauf in der Magneteinheit der Fig. 8 ausschnittsweise,
Fig. 10 die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer weiteren alternativen Ausführung mit kombiniert axial und radial versetzter Anordnung der Magnete ausschnittsweise und
Fig. 11 die Magneteinheit der Fig. 10 im Querschnitt entlang der Linie XI-XI der Fig. 10 mit eingezeichnetem Feldlinienverlauf .
In den Fig. la und lb ist eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetischer Partikel in einem pastösen Material dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Ausrichtkörper 1 in Form eines Hohlprofils auf, welches aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Gemäß der Querschnittsansicht der Fig. la umfaßt das Hohlprofil einen kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt la, welcher über zwei Flankenabschnitte lc in Richtung eines hinteren Flächenabschnitts lb geradlinig spitz zuläuft. Innerhalb des Ausrichtkörpers 1 ist eine Magneteinheit 2 angeordnet, die als drehbar gelagerte, konzentrisch mit dem kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt la angeordnete, zylindrische Walze ausgebildet ist. Die Magnetwalze 2 ist entlang ihrer Längsachse mit Permanentmagneten bestückt und wird beispielsweise durch einen oder mehrere Elektromotoren (nicht dargestellt) in Rotation versetzt. Somit wird ein rotierendes, d.h. periodisch veränderliches, auf die in dem pastösen Material enthaltenen Partikel wirkendes Magnetfeld erzeugt, welches in drei Zonen I, II, III mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist. Dabei überdecken die erste und die zweite Zone jeweils einen 90 "-Bereich sowie die dritte Zone den verbleibenden 180°-Bereich des kreisförmigen Querschnitts der Magneteinheit. Der Radius der Magnetwalze 2 ist nur geringfügig kleiner als der Krümmungsradius des Frontflächenabschnittes la, so daß der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes la und der Umfangsflache der Magnetwalze 2 minimal ist und das Magnetfeld der Magnetwalze 2 verlustarm auf das den Ausrichtkörper 1 umgebende pastöse Material wirken kann.
Nicht dargestellt ist eine alternative Ausführungsform der Magneteinheit, nach der diese fest in dem Ausrichtkörper angeordnet und das periodisch veränderliche Magnetfeld durch eine Anordnung einzeln ansteuerbarer Elektromagneten innerhalb des Ausrichtkörpers realisiert ist.
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Demnach wird der Ausrichtkörper 1 mit der darin angeordneten rotierenden Magnetwalze 2 quer zu seiner Längsachse lf durch ein pastöses Material 3 in Form einer nichabgebundenen Betonschicht bewegt, welche magnetisierbare Partikel 4 in Form von Stahlfasern oder Stahlringen enthält. Ebenso kann der pastöse Beton 3 relativ zum stationären Ausrichtkörper 1 bewegt werden. In beiden Fällen umfließt der Beton 3 den Ausrichtkörper 1 entlang dessen gebogenen Frontflächenabschnitts la. Dabei rotiert die Magnetwalze 2 gegen den Uhrzeigersinn, so daß die magnetisierbaren Partikel 4 in der unten beschriebenen Weise in einer Schicht 6 unterhalb des Ausrichtkörpers 1 angeordnet werden. Wie in Fig. 2 leicht erkennbar, verlaufen die Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper 1 und dem pastösen Material 3.
Das Teilfeld der ersten Zone I übt auf die Stahlfasern 4 eine langreichweitige anziehende Kraft aus, so daß sich die Fasern 4 in einem langgestreckten Bereich 7 vor dem Frontflächenabschnitt la des Ausrichtkörpers 1 auf diesen zubewegen. Das Teilfeld der zweiten Zone II übt eine Haltekraft auf die angezogenen Partikel 4 aus, durch welche diese entsprechend der Rotationsrichtung der Magnetwalze 2 entlang des Frontflächenabschnittes la nach unten transportiert und dabei ausgerichtet werden. Das Teilfeld der dritten Zone III, dessen Feldstärke infolge der geschlossenen Magnetfeldlinien innerhalb dieser Zone radial außerhalb des Ausrichtkörpers 1 annähernd verschwindet, gibt die Partikel 4 in ausgerichteter Position ungefähr an der Stelle le des Übergangs des kreisförmig gebogenen Frontflächenabschnittes la in den unteren Flankenabschnitt lc wieder frei.
Die Rotation des sich aus den drei Teilfeldern zusammensetzenden Gesamtmagnetfeldes der Magnetwalze 2 bedeutet, daß regelmäßig auch das Teilfeld der ersten Zone I an der. Stelle der Freigabe der Partikel 4 wirkt. Dementsprechend ist die Ablösung der Partikel von der Wand des Ausrichtkörpers 1 regelmäßig kurzzeitig erschwert, was zu einer unerwünschten wellenförmigen Struktur der auszubildenden Partikelschicht β führen würde. Dem kann jedoch wirkungsvoll dadurch begegnet werden, daß die Rotationsfrequenz der Magnetwalze relativ zur Bewegung des Ausrichtkörpers 1 in der Betonschicht sehr hoch gewählt wird, wodurch eine etwaige Wellenstruktur der Schicht 6 geglättet wird.
In den Fig. 3 - 7 sind verschiedenen Anordnungen der Permanentmagneten in der Magnetwalze 2 dargestellt.
Gemäß der Fig. 3 erstreckt sich ein starker, vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung bestehender Permanentmagnet 8 von einem Punkt nahe der Rotationsachse der Magnetwalze 2 radial nach außen. Seine äußere Stirnfläche 8a, an der sich der magnetischen Nordpol befindet, ist dabei entsprechend der Krümmung der Magnetwalze geformt, so daß die Magnetwalze mit minimalem Spalt zur Innenfläche des Frontflächenabschnittes la des Ausrichtkörpers 1 rotieren kann. Weiterhin ist innerhalb der Magnetwalze 2 ein Polschuh 9 aus einem weichmagnetischen Material; vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl, vorgesehen. Der Polschuh 9 umfaßt einen Mittelabschnitt 9a, welcher an die innere Stirnfläche des Permanentmagneten 8, an der sich dessen magnetischer Südpol befindet, bündig angrenzt und die Rotationsachse der Magnetwalze 2 umgibt. Von dem Mittelabschnitt 9a steht zu beiden Seiten jeweils ein Endabschnitt 9b ab. Beide Endabschnitte 9b sind in Richtung des Permanentmagneten 8 leicht abgewinkelt und erstrecken sich bis zum Außenumfang der Magnetwalze 2, wobei ihre jeweiligen äußeren Stirnflächen 9c ebenso der Umfangskrümmung der Magnetwalze angepaßt sind.
Das von dieser Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld ist in zwei Zonen I, II eingeteilt und wird durch seine Feldlinien grafisch dargestellt. Die erste Zone I wird von dem Permanentmagneten 8 und dem Polschuh 9 gebildet. Hierbei ist der Polschuh 9 durch den starken Permanentmagneten 8 agnetisiert, so daß sich an dessen Endabschnitten 9b jeweils ein magnetischer Südpol ausbildet. Dementsprechend verlaufen die Feldlinien vom Nordpol des Permanentmagneten 8 durch den die Magnetwalze bzw. den sie einschließenden Ausrichtkörper umgebenden Raum zu den Endabschnitten 9b des Polschuhs 9 mit der Folge, daß der in bezug auf die Magnetanordnung rückwärtige Bereich 10 der Magnetwalze, welcher die zweite Zone II bildet und beispielsweise mit Aluminium oder Stahl ausgefüllt sein kann, von einem Feld von nur geringer Feldstärke durchsetzt ist. Durch das vom Nordpol des Permanentmagneten 8 erzeugte Feld wird eine anziehende Kraft insbesondere auf agnetisierbares Material, welches sich in einem Bereich in Verlängerung seiner Längsachse befindet, ausgeübt. Die Magnetanordnung der Fig. 3 zeichnet sich insbesondere durch geringen Fertigungsaufwand und damit niedrige Kosten aus.
Die Magnetanordnung gemäß Fig. 4 umfaßt zwei von der Rotationsachse der Magnetwalze 2 sich radial nach außen erstreckende Permanentmagneten 11, 12 im wesentlichen gleicher Größe und Stärke. Beide Magneten 11, 12 bestehen vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung. Die Magneten 11, 12 stehen in spitzem Winkel von ca. 60° zueinander und verlaufen annähernd von der Rotationsachse der Magnetwalze 2 zu ihrer Umfangsflache, wobei die äußeren Stirnflächen der Magneten 11, 12 wiederum der Umfangskrümmung der Magnetwalze 2 angepaßt sind, um das Spaltmaß zwischen Magnetwalze und Frontflächenabschnitt des Ausrichtkörpers (hier nicht eingezeichnet) zu minimieren. Beide Magneten 11, 12 sind entgegengesetzt ausgerichtet, so daß im Falle des ersten Magneten 11 der Nordpol nach außen weist und im Falle des zweiten Magneten 12 der Südpol. Jenseits der Rotationsachse der Magnetwalze 2 in gleichem Winkelabstand zu den beiden Magneten 11, 12 befindet sich ein aus einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl, bestehender Bereich 13, welcher sich über 180° und damit über die halbe Querschnittsfläche der Magnetwalze 2 erstreckt.
Das von dieser Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld ist wiederum in zwei Zonen I, II eingeteilt und wird durch seine Feldlinienverlauf visualisiert . Das Teilfeld der ersten Zone wird durch die winklig angeordneten Magneten 11, 12 erzeugt. Durch ihre entgegengesetzte Ausrichtung wird ein tief in den Raum ragendes und damit eine weitreichende Anziehungskraft ausübendes Magnetfeld erzeugt. Der rückwärtig angeordnete aus dem weichmagnetischen Material bestehende Bereich 13 repräsentiert die zweite Zone II, in der die Feldlinien praktisch vollständig zurückgeführt werden. Folglich ist die Restfeldstärke in dem die zweite Zone außen umgebenden Bereich verschwindend gering, was Voraussetzung dafür ist, daß die angezogenen und ausgerichteten Partikel an der gewünschten Stelle wieder freigegeben werden können.
Durch die asymmetrische Magnetanordnung der in Fig. 5 dargestellten Magnetwalze 2 wird ein in drei Zonen I*, II*, III* eingeteiltes Magnetfeld (s. Fig. 5b) erzeugt. Im Vergleich zu der prinzipiellen Darstellung der Vorrichtung in Fig. 1 ist hierbei die Reihenfolge der Anordnung der Zonen I*, II*, III* umgekehrt. Folglich rotiert die Magnetwalze 2 der Fig. 5 im Betrieb im Uhrzeigersinn und die auszurichtenden Partikel 4 werden oberhalb des Ausrichtkörpers 1 in der pastösen Material 3 angeordnet. Die Magnetwalze 2 selbst ist in zwei 180 "-Sektoren 14, 15 mit einer mittleren Schnittfläche D unterteilt. Der Sektor 14 ist wiederum in zwei 90 "-Sektoren 14a, 14b unterteilt. Im Sektor 14a ist ein starker Permanentmagnet 16 angeordnet, welcher sich rechtwinklig von der Schnittfläche D in Richtung der gegenüberliegenden Umfangsfläche der Magnetwalze 2 erstreckt, so daß sich sein Nordpol im Bereich der Umfangsfläche des Magnetwalze 2 befindet. In dem dazu benachbart gelegenen Sektor 14b ist parallel zum ersten Magneten 16, aber entgegengesetzt orientiert ein zweiter schwächerer Permanentmagnet 17 angeordnet. Beide Magneten 16, 17 bestehen vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung und sind bezüglich ihrer äußeren Stirnflächen der Krümmung der Umfangsfläche der Magnetwalze 2 angepaßt. Die zwischen den Magneten 16, 17 befindlichen Zwischenräume sind mit einem nichtmagnetischen Material, wie z.B. Aluminium ausgefüllt. Der zweite 180 "-Sektor 15 besteht vollständig aus einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl.
Die Wirkung dieser Magnetanordnung in bezug auf den Feldlinienverlauf ist in Fig. 5b dargestellt. Demnach übt das von dem starken Magneten 16 in der ersten Zone I* erzeugte Teilfeld eine besonders langreichweitige Anziehungskraft auf die magnetisierbaren Partikel aus, welche in dem die Magnetwalze 2 bzw. den Ausrichtkörper 1 umgebenden Material enthalten sind. Das Teilfeld der zweiten Zone II* ist schwächer als das der ersten Zone I*, ist dadurch jedoch vorzugsweise geeignet, die vom Magnetfeld der ersten Zone I* angezogenen Partikel zur Freigabeposition zu transportieren und dabei in der gewünschten Weise auszurichten. Das weichmagnetische Material des Sektors 15 sorgt dafür, daß die zurücklaufenden Feldlinien der Pole der Magneten 16, 17 annähernd vollständig im Teilfeld der dritten Zone III* eingeschlossen sind, so daß außerhalb praktisch keinerlei Kraft mehr auf die Partikel wirkt und diese somit leicht in ausgerichteter Position freigegeben werden können.
Der besondere Vorteil dieser asymmetrischen Magnetanordnung ist die hohe Reichweite der Anziehungskraft bei einem vergleichsweise einfach und kostengünstig zu realisierenden Aufbau.
Die Fig. 6 und 7 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Magnetanordnung der Fig. 5.
In der in Fig. 6 dargestellten Anordnung mit Bucking Pol sind die Magneten 16, 17 durch einen weiteren quer angeordneten Magneten 19 räumlich verbunden, wobei der Nordpol dieses Magneten 19 zum starken Magneten 16 der ersten Zone I* weist. Durch diese Anordnung läßt sich die Reichweite des Teilfeldes der ersten Zone I* noch weiter steigern, so daß magnetisierbare Partikel aus noch größerer Entfernung angezogen werden können.
Die Anordnung der Fig. 7 basiert ebenfalls auf der asymmetrischen Magnetanordnung der Fig. 5. Zusätzlich zu den beiden Magneten 16, 17 sowie dem quer angeordneten Magneten 19 sind in dem 180 "-Sektor 14 zwei weitere quer angeordnete Magneten 20, 21 vorgesehen, die an die jeweiligen äußeren Längsseiten der Magneten 16, 17 stoßen und so ausgerichtet sind, daß dem starken Magneten 16 jeweils der Nordpol, dem schwächeren Magneten 17 jeweils der Südpol zugewandt ist. Die somit insgesamt aus fünf Magneten 16, 17, 19, 20, 21 bestehende Anordnung entspricht der eines linearen Halbach- ' Arrays. Sie ist in zweierlei Hinsicht vorteilhaft. So wird einerseits die Reichweite der Anziehungskraft des Teilfeldes der ersten Zone I* gegenüber der Anordnung mit Bucking Pole maximiert. Andererseits ermöglicht sie eine vollständige Abschirmung des rückseitigen Bereichs (Zone III*) , so daß die Feldstärke des Teilfeldes der dritten Zone III* verschwindet. Dadurch wird die Freigabe der magnetisierbaren Partikel in der gewünschten Position optimiert.
Die Anordnung mit Bucking Pol bzw. mit Halbach-Array läßt sich ebenfalls bei der Zweipol-Anordnung mit radialer Magnetausrichtung beispielsweise gemäß Fig. 4 realisieren und verbessert deren Wirkung in bezug auf die Anziehung und Ausrichtung der magnetisierbaren Partikel.
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser ist die Magnetwalze 2* mit einer Anzahl von in axialer Richtung der Walze 2* hintereinander angeordneten Permanentmagneten 22a - 22e vorzugsweise aus NdFeB bestückt. Die blockförmig geformten und damit besonders kostengünstig herstellbaren Magneten 22a - 22e bilden wiederum einen linearen Halbach-Array aus, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen in axialer Richtung der Magnetwalze 2* ausgerichtet ist. Entsprechend verlaufen die Feldlinien streng in axialer Richtung der Walze 2*, also in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper 1 und pastösem Material 3 (s. Fig. 2). Durch die Magnetwalze gemäß der' Fig. 8 wird ein aus zwei Zonen I**, II** bestehendes Magnetfeld geformt, bei dem das Teilfeld der ersten Zone I** eine langreichweitige Kraft auf die in dem pastösen Material vorhandenen Partikel ausübt und das verschwindende Teilfeld der zweiten Zone n** die Partikel etwa an der Position le des Ausrichtkörpers wieder freigibt.
Die Magneten 22a - 22e sind auf einem Walzenblock 23 mit halbkreisförmigem Querschnitt befestigt. Der Walzenblock 23 besteht dabei bevorzugt aus einem magnetischen .Stahl hoher , Permeabilität .
Der besondere Vorteil dieser axialen Anordnung der Magnete, welche ebenso auch in Form eines Bucking Pols angeordnet sein können, besteht nun darin, dass aufgrund des axialen Verlaufs der Magnetfeldlinien (s. Fig. 9) diese in Umfangsrichtung der Magnetwalze nicht streuen, d.h. das Magnetfeld ist in Umfangsrichtung streng begrenzt. Dadurch kommt es nicht zu einer Netzwerkbildung unter den magnetisierten Partikeln in Umfangsrichtung der Magnetwalze, was die Ablösung der ausgerichteten Partikel regelmäßig erschwert. Weiterhin ergibt sich durch den axialen Feldlinienverlauf eine besonders ausgedehnte Zone, in der das Magnetfeld verschwindet, was wiederum eine Freigabe der ausgerichteten Partikel erleichtert.
In den Fig. 10 und 11 ist schließlich eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser ist die Magnetwalze 2** in wiederkehrender Reihenfolge mit Permanentmagneten 24a, 24b, 25 vorzugsweise aus NdFeB in der Weise bestückt, dass sich entlang der Längsachse der Magneteinheit jeweils zwei nebeneinander, symmetrisch zur Längsachse angeordnete Magnete 24a, 24b mit identischer Orientierung mit einem stärkeren, zentral stehenden Magneten 25 mit entgegen gerichteter Orientierung abwechseln. Die Magneten 24a, 24b, 25 sind wiederum auf einem Walzenblock 26 mit halbkreisförmigem Querschnitt befestigt. Der Walzenblock 23 besteht dabei bevorzugt aus einem magnetischen Stahl hoher Permeabilität. In Fig. 11 ist der Feldlinienverlauf der erfindungsgemäßen Magneteinheit 2** projiziert auf die Betrachtungsebene dargestellt. Wie dargestellt ist, verlaufen die Feldlinien vom Nordpol des zentral stehenden Magneten 25 zu den Südpolen der nebeneinander und zum Magneten 25 versetzt angeordneten Magnete 24a, 24b. Damit weisen die Feldlinien einerseits, wie in Fig. 11 erkennbar, senkrecht zur Längsachse der Magneteinheit 2** ausgerichtete Anteile auf und verlaufen somit in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material. Andererseits weisen sie auch in axialer Richtung verlaufende Anteile auf, wodurch der axiale Versatz zwischen den Magnetpaaren 24a, 24b und dem zentralen Magneten 25 überbrückt wird.
Der besondere Vorteil einer solchen Magnetanordnung besteht darin, dass die ausgerichteten Partikel besonders gleichmäßig im Zielvolumen verteilt sind und keinerlei Tendenz mehr zur gehäuften Ansammlung entlang ausschließlich parallel bzw. senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufender Feldlinien aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Insbesondere wird der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.

Claims

PAT EN TAN S P RÜ C H E
1. Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel
(4) in einem pastösen Material (3) mit einem Ausrichtkörper (1) mit einer einen Frontflächenabschnitt (la) und einen hinteren Flächenabschnitt (lb) umfassenden Wand, wobei das pastöse Material und der Ausrichtkörper (1) mit dessen Frontflächenabschnitt (la) zuvorderst, relativ zueinander bewegt werden, wobei der Ausrichtkörper (1) ferner eine innerhalb des Ausrichtkörpers (1) an der Innenseite des Frontflächenabschnittes (la) angeordnete Magneteinheit (2) aufweist, welche zum Ausrichten der magnetisierbaren Partikel (4) ein periodisch veränderliches, auf das pastöse Material wirkendes Magnetfeld erzeugt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld in mindestens zwei Zonen (I, I**, II, II**) mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist, wobei das Teilfeld der ersten Zone (I, I**) eine langreichweitige anziehende und ausrichtende Kraft auf die Partikel ausübt und das Teilfeld der zweiten Zone (II, II**) die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Reichweite der auf die Partikel (4) wirkenden anziehenden Kraft durch entsprechende Wahl der Feldstärke und/oder des Feldlinienverlaufs des Teilfeldes der ersten Zone (I, I*, I**) eingestellt werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit (2) in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper (1) und dem pastösen Material (3) verlaufen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit (2) in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper (1) und dem pastösen Material (3) verlaufen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld in drei Zonen (I*, II*, III*) mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist, wobei das Teilfeld der ersten Zone (I*) eine langreichweitige anziehende Kraft auf die Partikel
(4) ausübt, das der zweiten Zone (II*) eine Haltekraft auf die Partikel (4) ausübt, durch welche diese ausgerichtet werden, und das der dritten Zone
(III*) die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die erste und die zweite Zone (I*, II*) jeweils etwa einen 90°-Bereich und die dritte Zone (III*) etwa einen 180°-Bereich des Querschnitts der Magneteinheit (2) überdecken.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die drei Zonen (I*, II*, III*) jeweils etwa einen 120°-Sektor des Querschnitts der Magneteinheit (2) überdecken.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die das periodisch veränderliche Magnetfeld erzeugende Magneteinheit (2) als rotierender Körper mit statischer Feldverteilung ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der Ausrichtkörper (1) als ein sich quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper (1) und pastösem Material (3) erstreckendes Hohlprofil ausgebildet ist, dessen Querschnitt nach Art eines Tragflächenquerschnitts von dem im wesentlichen halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitt (la) sich verjüngend über zwei Flankenflächen (lc) zum hinteren Flächenabschnitt (lb) zuläuft.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Magneteinheit (2) als eine sich über die gesamte Länge des Ausrichtkörpers (1) erstreckende rotierende zylindrische Walze ausgebildet ist, deren Rotationsachse mit der Mittelachse (lf) des halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitts (la) zusammenfällt .
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld der Magneteinheit (2) von Permanentmagneten (8, 11, 12, 16, 17, 19, 20, 21) erzeugt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß mindestens einer der Permanentmagneten (8, 11, 12, 16, 17, 19, 20, 21) aus einer NdFeB-Legierung besteht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Teilfeld der dritten Zone (III*) von einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem kohlenstoffarmen Stahl, erzeugt wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld von einem Dreipol-System erzeugt wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld von einem Zweipolsystem mit radialer Anordnung erzeugt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld von einer Anordnung mit Bucking Pol erzeugt wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Magnetfeld von einem Halbach-Array erzeugt wird.
18. Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
19. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß als pastöses Material (3) nicht abgebundener Beton verwendet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Partikel (4) als Stahlfasern ausgebildet sind.
21. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Partikel als Stahlringe ausgebildet sind.
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