DE1252952B - Magnetostriktiver Ultraschallwandler - Google Patents

Description

DEUTSCHES WftSlk PATENTAMT

DeutscheKl.: 42 s-1/08

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1252952

Aktenzeichen: B 52158IX a/42 s

1 252 952 Anmeldetag: 18. Februar 1959

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Ultraschallwandler, bestehend aus zwei an einem Ende miteinander und mit einem Lastelement verbundenen Schenkeln aus magnetostriktivem Material, auf denen je eine Erregerwicklung angebracht und zwischen denen zwecks Erzielung einer magnetischen Vorspannung in den Schenkeln ein Dauermagnet angeordnet ist.

Der magnetostriktive Effekt ist bekanntlich von der Polarität des erregenden Wechselflusses unabhängig. Deshalb ergibt sich ohne besondere Vorkehrungen eine magnetische Schwingung von der doppelten Frequenz des erregenden Wechselflusses. Um dies zu vermeiden, ist es üblich, den Kern mit einem Gleichfeld vorzumagnetisieren, das entweder durch eine Gleichstromerregung oder einen Dauermagneten erzeugt wird. Dabei bietet die Verwendung eines Dauermagnets den Vorteil, daß keine Erregerleistung und keine besonderen Bauelemente für die Vormagnetisierung erforderlich sind.

Bei bekannten Ultraschallwandlern der angegebenen Art ist der Dauermagnet ein Teil eines geschlossenen magnetischen Kreises, der mit möglichst geringem magnetischem Widerstand ausgeführt ist, um mit der zur Verfügung stehenden Erregerleistung einen möglichst hohen Wechselfluß zu erhalten. Aus diesem Grund wurde auch der Dauermagnet fest an den Schenkeln anliegend zwischen den Schenkeln angeordnet, und zwar möglichst nahe an deren äußeren Enden, um möglichst die ganze Schenkellänge für den magnetostriktiven Effekt auszunutzen.

Bei Verwendung von Dauermagneten aus hochpermeablen Werkstoffen ergibt sich bei derartigen bekannten Konstruktionen zwar für den Wechselfluß ein magnetischer Kreis mit geringem magnetischem Widerstand und demzufolge gutem Wirkungsgrad, doch ist bei der Herstellung derartiger Ultraschallwandler eine beträchtliche Präzision erforderlich. Jede Unsymmetrie der Flußverteilung in den beiden Schenkeln führt dazu, daß die an der Grenzfläche Schenkelkörper—Luft reflektierten Ultraschallwellen sich teilweise gegenseitig auslöschen; dies vermindert den Wirkungsgrad entsprechend. Bei den bekannten Konstruktionen mußte deshalb darauf geachtet werden, daß der Dauermagnet an beiden Schenkeln gleichmäßig fest anliegt. Luftspalte und andere Unregelmäßigkeiten, wie sie bei lameliierten Schenkeln nur schwer zu vermeiden sind, können jedoch leicht zu ungleichmäßigen und verschieden großen magnetischen Übergangswiderständen zwischen dem Dauermagnet und den beiden Schenkeln führen, so daß es in der Praxis kaum möglich war, eine genau symme-

Magnetostriktiver Ultraschallwandler
Anmelder:

The Bendix Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

Clyde W. Dickey, Philipsburg, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. Februar 1958 (716 662)

irische Flußverteilung zu erzielen. Wegen dieser Schwierigkeiten hat man in der Praxis allgemein geschlossene Kernbauformen bevorzugt. Bei der Herstellung derartiger Kerne ist ein beträchtlicher Mateas rialverlust unvermeidlich, und die Erregerwicklungen müssen durch wiederholtes Einfädeln eines Drahtes durch das Kernfenster in recht umständlicher und zeitraubender Weise hergestellt werden. Auch die Vormagnetisierung mit Hilfe eines Dauermagnets bereitet bei diesen Kernformen einige Schwierigkeiten; man muß im Kraftflußweg des Kerns eine Stelle mit erhöhtem magnetischem Widerstand vorsehen und diese Stelle durch einen Dauermagnet überbrücken.

Die bekannten Konstruktionen, die sämtlich durch das Bestreben gekennzeichnet sind, dem magnetischen Kreis einen möglichst geringen magnetischen Widerstand zu geben, haben den weiteren Nachteil, daß der Dauermagnet von dem ganzen Wechselfluß oder doch einem erheblichen Teil des Wechselflusses durchflutet wird. Da man den Wechselfluß natürlich nur so hoch wählen darf, daß eine Entmagnetisierung des Dauermagnets mit Sicherheit verhindert wird, sind einer Erhöhung des Flusses sehr bald Grenzen gesetzt. Ferner ist bei Konstruktionen der eingangs angegebenen Art noch der Nachteil vorhanden, daß bei Dauermagneten mit im Vergleich zur Schenkellänge merklichen Abmessungen ein großer Teil des magnetischen Wechselflusses schon vor den Enden der Schenkel durch den Dauermagnet geht, so daß die Enden der Schenkel nur geringfügig zum magnetostriktiven Effekt beitragen.

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Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen magnetostriktiven Ultraschallwandler der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der die beschriebenen Nachteile der bekannten Konstruktionen nicht aufweist und insbesondere trotz gutem Wirkungsgrad in sehr einfacher und kostensparender Weise hergestellt werden kann.

Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Dauermagnet aus einem Material besteht, dessen Permeabilität im wesentlichen gleich der von Luft ist, und zwischen dem Dauermagnet und jedem der beiden Schenkel des Ultraschallwandlers ein Luftspalt vorgesehen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ist somit im Gegensatz zu den sonst üblichen Bestrebungen ein Abschnitt mit hohem magnetischem Widerstand im magnetischen Erregerkreis vorgesehen. Dieser Abschnitt mit hohem Widerstand wird durch den zwischen den beiden Schenkeln liegenden Dauermagnet aus einem Werkstoff niedriger Permeabilität und die beiden Luftspalte zwischen diesem Magnet und den Schenkeln gebildet. Durch diese den bisher üblichen Bestrebungen beim Bau von magnetostriktiven Ultraschallwandlern geradezu entgegengesetzten und deshalb dem Fachmann nicht naheliegenden Merkmale des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ergeben sich überraschenderweise erhebliche Vorteile:

a) Es können zur Herstellung des Kerns einfache U-Blechschnitte verwendet werden, die mit geringem oder sogar ganz ohne Abfall gestanzt werden können. Dies ist wirtschaftlich von großer Bedeutung, da die für magnetostriktive Einrichtungen verwendeten Kernmaterialien recht teuer sind.

b) Eine besondere Präzision bei der Herstellung der einzelnen Lamellen eines geschichteten Kerns ist nicht erforderlich. Unregelmäßigkeiten in der Breite der Luftspalte zwischen dem Dauermagnet und den Schenkeln spielen nur eine sehr geringe Rolle, da der Dauermagnetwerkstoff selbst etwa die gleiche Permeabilität wie Luft hat.

c) Durch den Dauermagnet geht nur derjenige Anteil des Wechselflusses, der auch ohne Anwesenheit des Dauermagnets an dessen Einbausteile vorhanden wäre; ein sehr großer Anteil des gesamten Wechselflusses geht als Streufluß durch die Luft außerhalb des Dauermagnets. Die Gefahr einer Entmagnetisierung ist dadurch entscheidend herabgesetzt, und es können entsprechend höhere Werte des Wechselflusses verwendet werden.

d) Da ein großer Teil des Wechselflusses bis zu den Endflächen der Schenkel geht und dort austritt, wird die zur Verfügung stehende Schenkellänge besser ausgenutzt.

e) Die Bewegungen der beiden Schenkel sind nicht mechanisch miteinander gekoppelt; Unsymmetrien im Flußverlauf können deshalb nicht zu einer teilweisen gegenseitigen Auslöschung der an der Schenkelendfläche reflektierten Ultraschallwellen führen.

f) Da ein offener Blechschnitt verwendet wird, können ohne weiteres vorgewickelte Spulen benutzt werden, die einfach auf die Schenkel aufgeschoben werden.

g) Der Dauermagnet muß nicht zwischen den Enden der Schenkel angeordnet werden, sondern kann auch an anderen Stellen zwischen den Schenkeln liegen; seine Abmessungen sind nicht kritisch, so daß er ebenfalls in einfacher Weise billig hergestellt werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß durch die beschriebenen Vorteile, insbesondere durch das Fehlen einer mechanischen Kopplung zwischen den Schenkelenden, die Verminderung des Wirkungsgrades infolge des höheren magnetischen Widerstandes zumindest ausgeglichen wird. Außerdem ist es durch die erheblich verminderte WechseldurchfIutung des Dauermagnets möglich, wesentlich höhere Wechselflüsse anzuwen-

¹S den als bei den vorbekannten Konstruktionen, bei denen praktisch der ganze Wechselfluß durch den Dauermagnet geht.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert:

F i g. 1 und 2 zeigen zwei um 90° gegeneinander gedrehte Seitenansichten eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.
Der Wandlerkern 10 ist aus Lamellen aus magnetostriktivem Material, z. B. Nickel, geschichtet und besteht aus zwei parallelen Schenkeln 11 und 12 von gleicher Länge, die an einem Ende durch einen Steg verbunden sind, so daß sich insgesamt ein Stapel aus U-förmigen Lamellen ergibt.

Das freie Ende des Steges 13 ist in beliebiger Weise mit einem Lastelement 14 verbunden, und zwar vorzugsweise so, daß jede einzelne Lamelle für sich am Lastelement befestigt ist. Das Lastelement kann beispielsweise aus einem Behälter für eine Reinigungsflüssigkeit bestehen, wie er z. B. bei Ultraschallreinigern verwendet wird. Die freien Enden der Schenkel 11 und 12 sind nicht miteinander verbunden. An der Außenseite der Schenkel 11 und 12 sind die Lamellen des Kerns 10 auf ihren entgegengesetzten Außenkanten mit flachen Einkerbungen 15 versehen. In diesen Kerben ruhen Bolzen 16, die dort durch Federn 17 gehalten werden. Diese Bolzen 16 dienen zur Halterung der vorgefertigten Erregerwicklungen 18 und 19 mit Wickelkörpern 20 und 21 und eines Dauermagnets 24.

Der Dauermagnet 24 hat eine Permeabilität, die im wesentlichen gleich 1 ist, und ist in Richtung seiner kleineren Abmessung, d.h. quer zu den Schenkeln 11 und 12 magnetisiert. Um den Magnet 24 ist ein Haltebügel 22 gelegt, dessen obere Enden 23 durch die Federelemente 17 gehalten werden. Der Dauermagnet 24 ist frei zwischen den Schenkelnll und 12 angeordnet, und zwischen ihm und den Schenkeln sind Luftspalte frei gelassen.

Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers werden die Erregerwicklungen 18 und 19 mit einem Wechselstrom gespeist, der in den Kernen 11 und 12 eine magnetostriktive Schwingung mit einer Wellenlänge erzeugt, die im wesentlichen doppelt so groß ist wie die Länge des Kerns 10. Der Dauermagnet 24 hat eine Permeabilität, die im wesentlichen gleich der von Luft ist, und beeinflußt deshalb die Ausbildung des magnetischen Wechselflusses praktisch nicht. Der Dauermagnet erzeugt im Kern 10 eine magnetische Vorspannung, die in der bekannten Weise dazu dient, die Frequenz der erzeugten Ultraschallschwingung gleich der Frequenz des erregenden Wechselstromes zu machen.

Claims (5)

Durch den Wechselfluß wird der Kern 10 von der bei den Kerben 15 liegenden Knotenpunktebene aus in beiden Richtungen verlängert, so daß von dieser Knotenpunktebene aus eine Wellenbewegung zu beiden Enden des Kerns 10 läuft. Die an dem Lastelement ankommende Welle wird dort absorbiert. Die zum freien Ende des Kerns 10 laufende Welle wird an der Grenzfläche Kern—Luft reflektiert und läuft phasengleich mit der nächstfolgenden Welle durch die Schenkel 11 und 12 zurück. Abgesehen von ihrer Verbindung mit dem Lastelement 14 sind die undurchlöcherten U-förmigen Lamellen des Kerns 10 nicht mechanisch miteinander verbunden, so daß die Energie, die in dem Lastelement absorbiert wird, gleich der Summe der Energien ist, die durch jede einzelne Lamelle dem Lastelement zugeführt wird. Eine mit geringerer Intensität arbeitende Lamelle kann somit die Wirkung der anderen Lamellen nicht nachteilig beeinflussen. Durch die gewählte Art der Halterung des Dauermagnets 24 und der Spulen 18 und 19 wird ein Zusammenklemmen der Lamellen vermieden. Die Bolzen 16 und die Federn 17 sind mit keiner der Lamellen verbunden und liegen in der Knotenpunktebene des Kerns 10, so daß ihre Wirkung auf die Ultraschallerzeugung vernachlässigbar ist. Patentansprüche:

1. Magnetostriktiver Ultraschallwandler, bestehend aus zwei an einem Ende miteinander und mit einem Lastelement verbundenen Schenkeln aus magnetostriktivem Material, auf denen je eine Erregerwicklung angebracht und zwischen denen zwecks Erzielung einer magnetischen Vorspannung in den Schenkeln ein Dauermagnet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (24) aus einem Material besteht, dessen Permeabilität im wesentlichen gleich der von Luft ist, und zwischen dem Dauermagnet und jedem der beiden Schenkel (11,12) des Ultraschallwandlers ein Luftspalt vorgesehen ist.

2. Magnetostriktiver Ultraschallwandler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

Dauermagnet (24) in der Knotenpunktebene in der Mitte der Schenkellänge an den Schenkeln (11,12) aufgehängt ist.

3. Magnetostriktiver Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) aus aufeinandergeschichteten U-förmigen magnetostriktiven Lamellen gebildet ist, die nur an ihrer gemeinsamen Verbindung (13) mit dem Lastelement (14) aneinander befestigt sind.

4. Magnetostriktiver Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für den Dauermagneten (24) zwei in Kerben (15) angeordnete Bolzen (16) aufweist, die an ihren Enden durch Federn (17) miteinander verbunden sind, wobei die Kerben (15) an gegenüberliegenden Außenseiten der Schenkel (11,12) in deren Knotenpunktebene angeordnet sind und der Dauermagnet (24) zwischen den Schenkeln (11,12) an den Federn (17) aufgehängt ist.

5. Magnetostriktiver Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung auch dazu dient, die Erregerwicklungen (18,19) in ihrer Lage zu halten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2437 270, 2550 771,
815193;

Blatzheim: »Fachkunde für Fernmeldetechnik«, Teil 1 (1951), S. 25;

»Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker«, Bd. II (1953), S. 157 bis 159;

Tolksdorf: »Die Starkstromtechnik«, 10.Auflage (1954), S. 20;

Walz: »Strom und Spannung« (1949), S. 78;

Henning: »Dauermagnettechnik« (1952), S. 46 bis 48;

»Taschenbuch 1958« der Firma Valvo GmbH., Hamburg, S. 282/283 und 286/287;

»Hütte — Des Ingenieurs Taschenbuch«, 28. Auflage (1957), Bd. IV, S. 820/821.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1084 500.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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