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Verfahren und Vorrichtung zum Entmagnetisieren von umlaufenden Teilen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Entmagnetisieren von umlaufenden Teilen aus ferromagnetischem Werkstoff, beispielsweise
Rotorwellen von Turbinen, Generatoren, Schwungscheiben oderSchwungscheibenachsen
u. ä.
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Es ist in letzter Zeit, namentlich angeregt durch die Fortschritte
im Turbinenbau, üblich g.-worden, die Schwingungen von umlaufenden Teilen, also
etwa Achsen, Rotoren u. dgl., mit Hilfe eines magnetinduktiven Meßverfahrens zu
überwachen und in Abhängigkeit von der so erhaltenen Meßgröße die Arbeitsverhältnisse
der Maschine, also etwa der Turbine, zu regeln. Bei der Durchführung dieses magnetischen
Meßverfahrens, welches nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört und
welches hier auch nicht näher beschrieben wird, hat es sich gezeigt, daß die zu
überwachenden Teile im Laufe der Betriebszeit ganz oder stellenweise aufmagnetisiert
werden, d. h. einen remanenten Magnetismus zeigen, dessen Feldstärke Werte annehmen
kann, der die Anwendung des erwähnten überwachungsverfahrens unmöglich macht. Es
ergibt sich daher die Aufgabe, die umlaufenden Teile vollständig zu entmagnetisieren,
ohne den Betrieb der Maschine zu unterbrechen. Versuche, die in dieser Richtung
mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes abnehmender Amplitude gemacht wurden,
blieben ohne Erfolg.
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Es ist bereits bekannt, Stahlteile dadurch zu entmagnetisieren, daß
sie zwischen die Polschuhe eines Elektromagneten gebracht werden, der dadurch erregt
wird, daß ein Kondensator über seine Erregerwicklung entladen wird, wobei gleichzeitig
das zu entmagnetisierende Stahlteil eine Relativbewegung gegenüber dem Elektromagneten
ausführt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das zu entmagnetisierende Teil von
einem homogenen Magnetfeld völlig durchsetzt. Dies zu realisieren ist jedoch bei
den großen Teilen, um die es sich im vorliegenden Falle handelt, praktisch unmöglich,
da die erforderlichen Vorrichtungen, insbesondere das Joch, in diesem Falle Abmessungen
erhalten müßten, die wirtschaftlich nicht tragbar wären. Hinzu kommt, daß ein derart
großes Joch an bzw. in den genannten Maschinen, also Turbinen, Generatoren usw.,
aus Platzmangel nicht zu montieren wäre. Diese Nachteile und Schwierigkeiten werden
durch die vorliegende Erfindung beseitigt. Dies geschieht bei einem Verfahren zum
Entmagnetisieren der eingangs genannten Art in einfacher Weise dadurch, daß erfindungsgemäß
den zu entmagnetisierenden Teilen von außen ein magnetisches Gleichfeld mit zeitlich
abnehmender Stärke derart aufgezwungen wird, daß der magnetische Fluß an benachbarten
Stellen der Werkstückoberfläche senkrecht zu dieser hinein- bzw. herausgeleitet
wird, wobei der Abstand der Stellen voneinander klein ist gegenüber dem Durchmesser
des Werkstückes. Es hat sich gezeigt, daß trotz der Tatsache, daß beim vorliegenden
Verfahren eine homogene magnetische Durchflutung des Werkstückes nicht eintritt,
eine praktisch vollständige Entmagnetisierung erreicht wird.
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Hierbei ergibt sich noch der Vorteil, daß das zur Ausführung des Verfahrens
erforderliche Magnetjoch sehr klein gehalten werden kann, so daß es an der laufenden
Turbine leicht montierbar ist. Infolge der Kleinheit des Magnetjoches ist auch der
Energiebedarf der Vorrichtung minimal.
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Im folgenden werden das Verfahren nach der Erfindung und die ihm zugrunde
liegenden Vorrichtungen und magnetischen Wirkungen an Hand der Abb. 1 bis 3 erläutert.
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In Abb. 1 ist bei 1 im Querschnitt eine Welle andeutet. die im Sinne
des Pfeiles 2 vorzugsweise mit großer Geschwindigkeit umläuft. An oder unter der
Oberfläche dieser umlaufenden Welle sei z. B. ein umgrenzter Bereich des ferromagnetischen
Werkstoffes remanent aufmagnetisiert. Dieser Bereich ist bei 3 angedeutet, und die
angenommene Richtung der Aufmagnetisierung ist durch den Pfeil 4 dargestellt. Beim
Umlauf der Welle gelangt der hier betrachtete Bereich über die angenommenen Stationen
3a, 3 b und 3 c schließlich in den Bereich des von außen mit Hilfe eines
Elektromagneten aufgezwungenen Gleichfeldes. Der Elektromagnet ist in der Abb. 1
mit 5 schematisch angedeutet. Es ist zu erkennen, daß er bei 6 eine Erregerwicklung
trägt, welche an den
Punkten 7 mit einem Gleichstrom gespeist wird.
Die Stärke des vom Elektromagneten erzeugten magnetischen Feldes muß so groß sein,
daß dieses bis tief in das umlaufende Werkstück eindringt. Die Mindesteindringtiefe
des magnetischen Feldes ist so zu wählen, daß der hier beispielsweise betrachtete
zu entmagnetisierende Bereich vollständig im Gleichfeld des Elektromagneten liegt.
Unter der Einwirkung dieses Feldes ändert sich die magnetische Orientierung des
betrachteten Bereiches und stellt sich beispielsweise entsprechend der Richtung
des Pfeiles 8 ein. Diese dem betrachteten. Bereich neu aufgezwungene magnetische.
Ausrichtung behält dieser im allgemeinen bei, wenn er infolge des Umlaufes der Welle
weiterwandert, etwa bis zur Station 9. Erst wenn der hier betrachtete Bereich bis
nach 10 weitergewandert ist, tritt unter der Einwirkung des nun in umgekehrter
Richtung verlaufenden magnetischen Gleichfeldes eine erneute Ummagnetisierung ein.
Die neuerdings vorhandene magnetische Ausrichtung des betrachteten Bereiches ist
durch den Pfeil 11 angedeutet. Der Bereich wandert nun in Richtung des Werkstückumlaufes
weiter, um schließlich erneut in den Einwirkungsbereich des zuerst betrachteten
Pols des Elektromagneten zu gelangen.
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Der Elektromagnet 5, welcher in der Abb. 1 schematisch als Hufeisenmagnet
angedeutet ist, welcher aber auch beliebige andere Formen, etwa die Form eines M-Magneten,
annehmen kann, trägt, wie bereits oben gesagt, eine Erregerwicklung 6. Diese Erregerwicklung
6 wird an den Punkten 7 mit einem Gleichstrom i gespeist, welchem die Feldstärke
H des Magneten proportional ist. Die Stärke dieses Gleichstromes wird nun
in zeitlicher Abhängigkeit bis auf Null herabgeregelt.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Speisegleichstrom
und somit auch das magnetische Gleichfeld mit der Zeit linear abnehmen zu lassen,
wie dies in Abb. 2 dargestellt ist, wobei diese Zeit groß sein muß gegenüber der
Umlaufzeit des Werkstückes. Werden diese Verhältnisse berücksichtigt, so ist zu
erkennen, daß die Ummagnetisierung des in Abb. 1 betrachteten Bereiches mit der
Zeit immer unvollständiger wird, d. h. mit anderen Worten, daß immer weniger Weißsche
Bezirke innerhalb des betrachteten Bereiches dem von außen aufgezwungenen Feld folgen
und dementsprechend ihre magnetische Richtung ändern. Ist das magnetische Gleichfeld
bis auf den Wert Null herabgeregelt, so resultiert im betrachteten Bereich eine
statistisch verteilte Ausrichtung der magnetischen Vektoren der Weißschen Bezirke.
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Das Besondere des Verfahrens nach der Erfindung besteht also darin,
daß dem Werkstück von außen ein zeitlich abnehmendes magnetisches Gleichfeld aufgezwungen
wird, welches aber infolge der Umdrehung des zu entmagnetisierenden Werkstückes
in bezug auf die einzelnen Weißschen Bezirke wie ein Wechselfeld mit abnehmender
Amplitude wirkt. Die Feldverhältnisse innerhalb des oben betrachteten Bereiches
sind in Abb. 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß für den einzelnen Weißschen
Bezirk ungefähr die gleichen Verhältnisse vorliegen, wie wenn das zu entmagnetisierende
Werkstück ruht, das von außen aufgezwungene Feld jedoch ein Wechselfeld ist.
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Der Grund dafür, daß zur Lösung der vorliegenden Aufgabe, also der
vollständigen Entmagnetisierung eines vorzugsweise mit großer Geschwindigkeit umlaufenden
Werkstückes, ein von außen aufgezwungenes Wechselfeld nicht zu verwenden ist, ist
darin gelegen, daß die Eindringtiefe des von außen aufgezwungenen Feldes mit steigender
Frequenz schnell abnimmt. Die sich im Werkstück bemerkbar machende Frequenz ist
aber nicht gleich der von außen aufgezwungenen Frequenz des Feldes, sondern wird
verändert durch die Umdrehungsgeschwindigkeit, genau genommen durch die Umfangsgeschwindigkeit
des zu entmagnetisierenden Bereiches an oder unterhalb der Werkstückoberfläche.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann ein Elektromagnet
mit U-förmigem Kern verwendet werden, wie er an sich bekannt ist. Voraussetzung
für die Verwendbarkeit eines solchen Elektromagneten im vorliegenden Falle ist jedoch,
daß der Magnet in der Lage ist, ein Magnetfeld von derartiger Stärke zu erzeugen,
die ausreicht, den zu entmagnetisierenden Werkstoff bis zu einer Tiefe magnetisch
zu sättigen, die mindestens gleich oder größer ist als die Tiefenausdehnung des
zu entmagnetisierenden Bereiches. Weiter ist es für die richtige Ausführung des
Verfahrens wichtig, daß jeder Weißsche Bezirk des zu entmagnetisierenden Bereiches
so lange unter der Einwirkung des homogenen Feldes steht, bis die Ummagnetisierung
dieses Weißscheu Bezirkes vollendet ist. Die Zeit, die hierzu erforderlich ist,
also die Relaxationszeit, ist abhängig von der Zusammensetzung des Werkstoffes.
Da die Umdrehungsgeschwindigkeit bzw. die Umfangsgeschwindigkeit des zu entmagnetisierenden
Werkstückes sowie die Art des Werkstoffes und dementsprechend die Relaxationszeit
der Ummagnetisierung meist gegebene Größen sind, ist es erforderlich, die Polbreite
und damit die Ausdehnung des magnetischen Gleichfeldes nach diesen Größen anzurichten.
Die praktische Ausführung dieser Maßnahme liegt nach Kenntnis des Erfindungsgedankens
jedoch im Ermessen des Fachmannes, so daß es sich erübrigt, hierauf näher einzugehen.
Weiter ist zu bemerken, daß auch der Abstand der beiden Pole des Magnetkernes nicht
beliebig klein sein darf. Um zu erreichen, daß das aus den Polschuhen austretende
Feld praktisch vollständig in das zu entmagnetisierende Werkstück übergeht, ist
es erforderlich, den Abstand der beiden Kernschenkel groß gegenüber dem Abstand
der Polschuhe von der Werkstückoberläche zu machen. Wird diese Bedingung nicht eingehalten,
so ist es nicht auf wirtschaftliche Weise möglich, im zu entmagnetisierenden Werkstück
die erforderliche magnetische Feldstärke zu erzeugen.