DE2134765A1

DE2134765A1 - Magnetomechanischer Umformer

Info

Publication number: DE2134765A1
Application number: DE19712134765
Authority: DE
Inventors: Hubert T. Minneapolis Minn. Sparrow (V.StA.). GOIl 7-16
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1970-07-13
Filing date: 1971-07-12
Publication date: 1972-09-21
Also published as: CA926456A; GB1359505A; US3638153A; JPS472777A; FR2098353A1

Description

DlPL-ING. ROLAND MERTENS

PATENTANWALT

6 Frankfurt α M., am 9,JuIi 1971 Ammeiburgstraße 34 Pt/ailie

Fernsprecher 590045 Telex 04-14354

H 31 d P 256

BeIr. ι

HOESIWELL INO.
2701 !Fourth Avenue South Minneapolis, Minnesota USA

"Magnetomechanischer Umformer"

Die Erfindung betrifft einen magnetomechanischen Umformer mit einem Glied aus magnetostriktivem Material.

Die "bekannten Umformer der eingangs geschilderten Art,, wie sie beispielsweise in dem amerikanischen Patent 3 414 010 "beschrieben sind, weisen.aus mehreren Schichten magnetostriktiven Materials gebildete:. Glieder auf. Bei diesen sind vielfach zwei Schichten miteinander verbunden, von denen die eine

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Schicht einen positiven und die andere Schicht einen negativen magnetoStriktiven Koeffizienten hat. Die Auslenkung derartiger Glieder ist eine !Funktion des auf sie einwirkenden magnetischen Feldes. Dieses Feld wird gewöhnlich mittels einer Wicklung oder eines Elektromagneten erzeugt. .

Die bekannten Umformer der eingangs geschilderten Art sind vielfach auch mit aus drei Metallschichten bestehenden Gliedern versehen, von denen die dritte Schicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an eine der beiden restliehen Metallschichten angepaßt ist, um eine üemperaturkompensation zu bewirken.

Die bekannten Umformer mit' den Gliedern der oben beschriebenen Art haben den Kachteil, daß die. einzelnen Materialschichten miteinander verbunden werden müssen, um Bi- oder Erdmetalle zu : erhalten, die die gewünschte Auslenkung und/oder die iDempera-. turkompensation bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es,' einen Umformer der eingangs ge- ; . schilderten Art zu. schaffen, der licht notwendigerweise aus

mehreren Metallschichten aufgebaut sein muß und dennoch die ,/■ -. mit Hilfe der'bekannten .Mehrschichtglieder gewünschte Auslen- W .. kung erreicht, ohne eine zusätzliche iDemperaturkompensation zu benötigen. " , \ ■■ .;■:....·... ' · . .

■ Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zur Erzeugung sowohl von Zug- als auch Druckspannungen in einem aus magnetostriktivem Material bestehenden Glied mit bestimmten magnetostriktiven Koeffizienten vorgesehen ist, wodurch der magnetostriktive. Koeffizient in Teilen des Gliedes .*") geändert wird,

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daß eine Vorrichtung , zur Erzeugung eines längs des magnetostriktiven Gliedes , verlaufenden magnetischen Flusses . vorgesehen ist und ·, . . ■ daß das magnetostriktive Glied in Abhängigkeit von der Wirkung des magnetischen Feldes ausgelenkt ist, wobei die Große der Auslenkung von der in dem Glied erzeugten Spannung abhängig ist·.. ;. -

Bei dem erfindungsgemäßen Umformer findet Material mit einem hohen positiven oder .negativen magnetostriktiven Koeffizienten Verwendung. Wird das aus dem Streifen oder einem Stück dieses iiateriales bestehende Glied gebogen, so werden in der einen Hälfte'Zug-

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Spannungen und in der anderen Hälfte des Gliedes Druckspannungen erzeugt. Bei positiv magnetostriktiveii Material wird der magnetostrictive Koeffizient durch 'Zugspannungen gegenüber dem nicht beanspruchten Material vermindert,"während Druckspannungen seinen magnetostriktiven Koeffizienten erhöhen. Wird hiernach das Glied aus magnetostriktiven Material einem über das Glied iil· geeigneter !Richtung (beispielsweise in dessen Längsrichtung) verlaufenden magnetischen !Feld ausgesetzt und das Material des Gliedes hat einen positiven magnetostriktiven Koeffizienten, so wird es sich entgegen den Spannungen gerade biegen oder krümmen. Hat das Material einen negativen Koeffizienten, so wird sich das Glied in Richtung der Spannungen auslenken. Die Krümmungsänderung hängt linear von der Dichte des magnetischen !Flusses in dem Material ,des Gliedes ab, wodurch das Glied als magnetomechanischer Umformer verwendbar ist. ■ ' -

Eine besonders einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen / Umformers ergibt sich dadurch, daß das magnetostrictive Glied aus einer einzigen Materialschicht gebildet ist. Hierdurch wird vermieden, mehrere Metallschichten miteinander zu verbinden, ■ wobei dennoch eine bei den bekannten.Umformern nur mittels mehrerer Schichten erzielbare: Auslenkung erreicht wird. Abgesehen von dem hierdurch erzielten einfacheren Aufbau des Umformers wird gleichzeitig noch eine Temperaturkompensation vermieden, wodurch darüberhinaus noch auf eine zusätzliche Schicht zur temperaturkompensation verzichtet werden kann.

Magnetomechanische Umformer weisen eine Eigenhy_S-fc_e;Cegiß· auf, die ihre Wirkungsweise oft unangenehm beeinflußt. Zur Vermeidung einer solchen Hysteresis ist nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Umformer derart ausgestaltet, daß eine

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Verstelleinrichtung zur einstellbaren Änderung der auf das Glied ausgeübten Spannung vorgesehen ist, wodurch die Hysteresis in dem Glied einstellbar ist. Die Hysteresis ist allen Magnetisierungsvorgängen eigen, so daß die Krümmung des magnetostriktiven Gliedes für jedes bestimmte magnetische Feld davon abhängig ist, .ob·das Feld sich vergrößerte oder verminderte. Die Hysteresis läßt sich nunnach dem genannten Merk- . mal der Efindung dadurch,steuern, daß die auf das Glied einwirkende und die notwendigen Spannungen in diesem erzeugende Last veränderbar gemacht wird. Durch Verminderung oder Vergrößerung der Last über einen bestimmten Wert läßt sich eine positive'oder negative Hysteresis erzeugen, resultierend aus dem Gleichgewicht einer durch die Anwendung des magnetischen Feldes bedingten magnetischen Hysteresis mit einer mechanischen Hysteresis, die als Bauschingereffekt bekannt ist, und die in Metallen unter bestimmten Bedingungen auftritt;.

Weitere Merkmale der Erindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie mehreren Ausgührungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert werden. Darin Zeigt:

Fig. 1 die Darstellung einer aus magnetostriktivem Material bestehenden Platte, an der schema--• - tisch die Richtung der ,.ein ζ ein en magnetischen

Bereiche des Materials gezeigt ist,

Fig. 2 eine Darstellung einer aus magnetostriktivem Material bestehenden, einer dehnenden Beananspruchung ausgesetzten Platte sowie die Wirkung der Dehnung auf die magnetischen Bereiche,

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S¹Ig. 3 eine Pig. 2 entsprechende Darstellung der

Wirkung eines Druckes auf die Platte in Bezug auf die magnetischen Bereiche,

Pig. 4 eine Darstellung der Abmessungsänderungen in Sichtung der gestauchten Achse eines iaagnetöstriktiven Materials, wenn dieses einem magnetischen Feld ausgesetzt ist,

Pig. 5 eine erste Ausführungsform eines pneumatischen . Klappenventiles, welches von dem erfindungsgemäßen magnetomechanischen "umformer Gebrauch . macht, -

Pig. 6 eine zweite Ausführungsform eines pneumatischen

Klappenventiles, welches von dem erfindungsge-"■ mäßen magnetomechanischen Umformer Gebrauch ".-'"■- macht, ■:■.·_ .

Pig. 7 eine Darstellung eines elektrischen Relais, .<■■ · welches von dem ,erfindungsgemäßen elektrome- ' chanisehen Umformer Gebrauch macht und

Pig. 8 die Verwendung eines Permanentmagneten an

Stelle "eines Elektromagneten für den erfindungsgemäßen magnetomechanischen Umformer.

Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß, wenn man. ein magnetostrikt!ves Material einer Beanspruchung aussetzt, so daß ein IeIl davon gespannt und ein anderes Teil davon zusammengedrückt wird und man danach ein magnetisches PeId auf dieses Material einwirken läßt, dieses Material sich zu biegen oder auszulenken versucht. Diese Tatsache resultiert aus einer Vergrößerung und Verminderung des Koeffizienten der Magnetostriktion in dem Material, der durch Druck und Zug bedingten Spannungen bedingt "ist. "~"^rn. .'

Ein entmagnetisierter Streifen eines positiv magnetostriktiven Materials ist mit seinen magnetischen Bereichen praktisch wahllos orientiert. Man kann eine Verteilung der Eichtungen der Magnefbezirke annehmen, hei der ein Drittel längs des Streifens, ein Drittel quer zum Streifen und ein Drittel senkrecht zum Streifen orientiert ist, wie in Pig. 1 gezeigt. Wenn der Streifen einem Zug er', wie in Fig. 2 gezeigt, ausgesetzt ist, werden die magnetischen Bezirke versuchen sich' inder . beaufschlagten Richtung auszurichten. Da nun zwei Bezirksrichtungen senkrecht zur Spannungsrichtung stehen, wird die" .Änderung der Beaufschlagung des Materials 2/3 λ , wohei A die magnetos tr iktive Verformung ist. Wird andererseits der Streifen, wie in Fig. 3 dargestellt, einem Druck -.^ausgesetzt, so werden die magnetischen Bezirke versuchen, sich rechtwinklig zur Beaufsehlägungsrichtung auszurichten. Da es in diesem Falle zwei zueinander senkrecht und senkrecht zur Richtung der Beaufschlagung liegende Eichtungen der Bezirke !gibt, ist hei einem Druck auf das magnetostriktive Material nur eine .Änderung von 1/3 Ά der magnetischen Verformung festzustellen.^

Es ist bekannt, daß heim Biegen eines Materialstreifens die eine Seite zusammengedrückt und die andere auseinandergezogen wird. Wie aus Fig. 4· ersichtlich, ist hei einem magnetostriktiven Streifen mit positivem magnetostriktiven Koeffizienten, wenn dieser einem magnetischen Feld H ausgesetzt ist, die Änderung der Verformung in dem einem Zug ausgesetzten 3?eil

Ag - 2/3 Λ. Andererseits ist die Verformungsänderung in dem tDeil des Streifens, der einem Druck ausgesetzt ist ^s - (-1/3^) oder gleich A^+'/jA, wohei

/1$ gleich der maximal möglichen Magnetostriktion ist. Daraus zeigt sich, daß die Verformungsänderung auf der einen Seite des Streifens größer ist als auf der anderen Seite, wodurch'sich

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der Streifen dementsprechend· ausrichtet. Die Änderung in der
Biegung hängt linear -von dem magnetischen Fluß ah, wodurch die Einrichtung als ein magnetomechanischer Umformer verwendbar ist. Weist das Verwendete Material einen negativen Koeffizienten der

xiicxitung

Magnetostriktion auf, so wird sich der Streifen versuchen in\ der auferlegten Spannung sich auszulenken.

Fig. 5 zeigt die Darstellung eines pneumatischen Klappenventiles unter Yerxtfendung des erfindungsgemäßen magnetomechanischen Umformers. Mit einem Rahmen 10 ist eine U-förmige magnetostriktive Platte 11 verbunden,-wobei die Platte 11 einen Ausleger
für einen Teil des Rahmens 10 "besitzt. Um eine Spannung in der magnetostriktiven Platte zu erzeugen, ist eine Feder 13 vorgesehen. Der Verlauf des magnetischen Flusses wird durch eine gestrichelte Linie angegeben. Bei Erregung der Wicklungen 12
wird sich die normalerweise in Aufwärtsrichtung.durch die Feder 13 nach oben vorgespannte Platte versuchen, in die waagerechte. Ebene zurückzukehren um die Düse 14 zu verschließen.
Weist die Platte einen negativen magnetostriktiven Koeffizienten auf, so wird sie in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt, wodurch sich die" Kraftwirkung der Feder vermindert. Ändert
sich der durch die Wicklungen 12 fließende Strom, so wird sich auch die Auslenkung des Endes der Platte 11 in annähernd linearer Abhängigkeit ändern, so daß der Ausgangsdruck der Düse 1-4 im wesentlichen eine lineare Funktion des Eingangsstromes der Wicklungen 12 ist, was bedeutet, daß die Funktion so linear
ist, wie der angewandte -Teil der Magnetisierungskurve des verwendeten Materiales. Der in'Fig. 5 dargestellte Aufbau läßt."
sich auch als elektrisches Relais verwenden, in dem man die
Düse 14 durch, geeignete elektrische Kontakte austauscht.

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Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines pneumatischen Klappenventiles gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5· Ein Streifen 21 aus magnetostriktivem Material ist au deragend an einem Rahmen 20 "befestigt und ist mit einer elektromagnetischen Wicklung 22 versehen, die mit ihm zusammenwirkt.· Der magnetostriktive Streifen weist im Gegensatz zu der in Fig.5 dargestellten U-förmigen Platte längs seines durch die gestrichelte Linie 26 dargestellten Magnetflußpfades einen Luftspalt 26 auf. Zur Erzeugung der notwendigen Spannung in' dem Streifen 21 dient eine Feder 23, die mit dem Rahmen 20 verbunden ist. Da die Abhängigkeit zwischen dem Eingangsstrom der Wicklung 22 und dem Ausgangsdruck nicht genau linear ist, sondern als Aufzeichnung des Ausgangsdruckes in Abhängigkeit von dem Eingangsstrom eine leicht gekrümmte S-förmige Kurve, ergibt, ist ein Verstärkerrelais 28 vorgesehen, um den im wesentlichen linearen Teil der die Abhängigkeit kennzeichnenden Kurve ausnutzen zu können. Der'Druckmitteldruck wird über eine Leitung 26 und einen Strömungswiderstand·27 einer Düse zugeführt. Der Druck gelangt weiterhin zu dem Verstärkerrelais 28. Wird der Wicklung 22 des Streifens 21 ein Strom zugeführt, so wird der Streifen 21 in der/von der Feder 23 ausgeübten Spannung entgegengesetzten Richtung ausgelenkt, so daß sich die Düse 24 schließt und der Druck in der Ausgangsleitung 29 erhöht. Durch den Ausgangsdruck kann ein Ventil oder eine ähnliche Vorrichtung betätigt werden.

Fig. 7 zeigt die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf ein elektrisches Relais. Eine U-förmige Platte 40 aus magnetischem Material hält zwischen den beiden Schenkeln ein magnetostriktives leil 21, welches ständig unter Spannung gehalten xri-rd^ da der Abstand der beiden Schenkel zueinander kleiner ist als

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die Länge des Seiles 41. Eine Wicklung 42 sorgt für ein magnetisches PeId, welches bei Erregung der Wicklung das Heil 41 auslenkt. Der Flußverlauf dos magnetischen Feldes ist durch eine gestrichelte linie 45 angegeben. Das Teil 41 ist mit einem beweglichen zweiseitigen Kontakt 43 versehen, der mit den beiden ortsfesten Kontakten 44 zusammenwirkt. Fig.8 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungs gemäß en magnetomechanischen Umformers, bei dein ein Permanentmagnet 52 an Stelle derben weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Elektromagnete tritt. Ein Rahmen 50.trägt einen auskragenden Streifen 51 aus magnetostriktiv em Material sowie eine Feder 51 zur Erzeugung der notwendigen Vorspannung. Wird der Permanentmagnet 52 derart angeordnet, daß über ihn der durch die Strichlinie 33 angedeutete magnetische Fluß zum Eahmen und zu dem Streif en 51 fließt, so wird der Streifen ausgelenkt werden. Diese Auslenkung läßt sich zum Schließen einer Düseyzum Abgreifen, zur Anzeige oder einer ähnlichen Wirkung in Abhängigkeit von der Annäherung des Permanentmagneten 52 verwenden.

In allen oben besprochenen Ausführungsbeispielen befindet sich der magnetostriktive ÜJeil in einem Spännungszustand, bevor das magnetische. Feld auf es einwirkt. Sobald das magnetische.Feld wirksam wird, versucht sich das magneto strikt! ve Teil in eine Planeebene zu bewegen, oder weiter durchzubiegen, je nachdem ob ein positiver oder negativer magnetostriktiver Koeffizient, vorliegt." Wird das Magnetfeld aufgehoben, so kehrt das Seil in seinen ursprünglichen Zustand zurück, indem es beispielsweise durchgebogen sein kann. Vielfach wird aber der ursprüngliche Biegezustand wegen der magnetischen Hysteresis in dem Seil nicht wieder erreicht und das Seil bleibt flacher als es ursprünglich war. Wie weiter oben bereits, erwähnt, wurde ge-

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funden, daß diese Hysteresis durch Verändern der die notwendige Spannung im Teil erzeugenden Last sich steuern.läßt. Diese Wirkung beruht auf mechanischer Hysteresis.

Mechanische Hysteresis tritt unter bestimmten Bedingungen bei Metallen auf, wobei folgendes charakteristisch ist: Die Hysteresis erscheint nur dann, wenn das Metall etwas über die

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Streckgrenze hinaus beansprucht wird und ihre Größe wächst mit dem Betrag der Vorspannung. Wenn daher das Seil, wie z.B. Streifen 21 in Fig. 6 in geeigneter Weise vorbereitet ist durch vorheriges Strecken und Vergüten und wenn die die notwendige Spannung erzeugende Einrichtung, wie beispielsweise Feder 23 in S¹Ig. 6 in dem Streifen 21 eine genügend große Spannung erzeugt, so daß die Streckgrenze überschritten wird wenn der Streifen sich aus seiner gebogenen Lage in die ebene Lage zurück biegt, so kann .·. das Teil später, wenn es in seinen gebogenen Zustand zurückkehrt, eine größere Biegung aufweisen. Diese zusätzliche Biegung kann bei geeigneter Auswahl der von der Feder 23 auf das Teil ausgeübten Spannung im wesentlichen die magnetische Hysteresis aufheben, so daß die " aus der Kombination der beiden Hysteresisarten sich ergebende Gesanithysteresis Null wird .und keine Änderung in der Durchbiegung festgestellt werden kann.

Durch Erhöhen oder Vermindern der Spannung über oder unter den kritischen Wert laßt sich in dem erfindungsgemäßen Umformer entweder eine negative oder positive Hysteresis erhalten. Bei Verwendung von nichtorientierten pOlykristailinen Platten aus Hyperco 50 (eine Legierung aus Eisen, Kobalt und Vanadium mit hohem positiven magnetostriktivem Koeffizienten) wurde gefunden,, daß bei einer Vorspannung des Hyperco 50 von 1100 kp/cm mit nachfolgender Glühbehandlung die Streckgrenze des Streifens schon bei so niedrigen Spannungen wie 280 kp/cm liegt. Es

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wurde gefunden, daß bei einer derartigen Vorbehandlung die

kritische Spannungshöhe bei annähernd 850 kp/cm liegt.

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Steigt die Last über 8^0 kp/cin an, so ist eine negative Hysteresiskurve in dem Umformer festzustellen, während bei

einer Last unterhalb von 8^0 kp/cm eine positive Hysteresislsurve festzustellen ist. Die genannten Zahlen sollen nur einen Hinweis auf die vielen wirksamen Veränderlichen geben, um die verschiedenen Einflüsse abschätzen zu können.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Hagnetomechanische Umformer, dadurch. ge--· kennzeichnet, daß eine. Einrichtung (13) zur Erzeugung sowohl von Zug- als auch Druckspannungen in einem aus magnetostriktivem-Material "bestehenden Glied mit "bestimmten magnetostriktiven Koeffizienten vorgesehen isty wodurch der magnet ο striktive. Ko effizient in !eilen des Gliedes (11) geändert wird,

daß eine Vorrichtung (12) zur Erzeugung eines längs des magnetostriktiven Gliedes (11) verlaufenden magnetischen Flusses (15) vorgesehen ist und

daß das magnetostriktive Glied in Abhängigkeit von der Wirkung des magnetischen !Feldes ausgelenkt ist, wobei die Größe der Auslenkung von der in dem Glied erzeugten Spannung abhängig ist.

2. Umformer nach Anspruch 1,..dadur. ch gekennzeichnet, daß einrahmen (10) vorgesehen ist, in dem zumindest ein Ende des magnetostriktiven Gliedes (11) gelagert ist und über den der Pfad des magnetischen Flusses (15) läuft.

3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Glied aus einer einzigen Materialschicht gebildet ist.

4·. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Einrichtung (13) mit einer Feder versehen ist.

5· Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Glied (11) ein Strei- '.".·-■.■ fen aus magnetostriktiven Material ist, dessen eines Ende .; durch den Rahmen (20) gehalten ist. - " "

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6. Umformer nach einem der- .Ansprüche 1 bis 5> dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß die Vorrichtung (22) mit einem Elektromagneten versehen ist, . daß das Glied einen positiven magnetostriktiven Koeffizienten aufweist und in Abhängigkeit zu dem ändernden Erregungsstroni des Elektromagneten entgegen der auf das Glied (11) ausgeübten Spannung auslenkbar ist.

7. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, .dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (12) mit einem Elektromagneten versehen ist

Ψ daß das magnetotstriktive Glied (11) einen negativen magnetostriktiven .Koeffizienten aufweist und in Abhängigkeit zu dem erregenden Strom des Elektromagneten entgegen der Eichtung der auf das Glied einwirkenden Spannung auslenkbar ist.

8. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch g ek e nn ze i chn e t, daß eine Verstelleinrichtung zur einstellbaren Änderung der auf das Glied ausgeübten Spannung vorgesehen ist, wodurch die Hyeteresis in dem Glied (11) einstellbar ist.

· Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Druckmittelleitung (24-) versehenen Ventil (21,24-) ein homogenes magnetostriktives Giles. (21) aufweist, von dem ein Seil zur Steuerung des Druckmittelflusses durch die Leitung (24-) gegenüber dieser bewegbar ist, wobei die Größe der Bewegung von der Größe des magnetischen Flusses längs des Gliedes (11) abhängt. ■ ■ • -14- -

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10, Umformer nach Anspruch 9> dadurch· gekenn- z eichnet, daß das eine Ende des Gliedes (11), mit dem die Leitung (24·) tragenden Eahmen (20) verbunden ist und daß das andere Ende des Gliedes gegenüber der Leitung (24) "bewegbar ist.

11·. Umformer nach Anspruch 10, dr.a durch gekennzeichnet, daß zur abschnittsweisen Führung des über das Glied (11) verlaufenden magnetischen Flusses (26) zumindest ein Teil des Eahmens (20) und der Leitung (24) aus magnetisierbarem Material besteht.

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