SE514575C2 - Magnetostriktivt aktiveringsdon med minst en kylmedelskanal - Google Patents

Description

25 30 35 514 575 2 materialet arbetar nära linjärt och med högst verkningsgrad inom ett visst område kring en viss konstant magnetiseringsnivå. För att åstadkomma denna nivå har drivcelien försetts med perma- nentmagneter i form av solida skivor anordnade på motsatta si- dor om spolen.

För att erhålla en hög effekttäthet, det vill säga en hög mekanisk uteffekt per volym eller massa hos aktiveringsdonet, är det nöd- vändigt att ordna kylning av aktiveringsdonet. l de ovan nämna kända aktiveringsdonet sker kylningen medelst kylkanaler anord- nade i kylmantlar, vilka omger statorcellerna. Statorcellerna är infästade i kylmantlarna, vilka i sin tur är infästade i en yttre fixturram.

Ett problem med att använda omgivande kylmantlar för att kyla aktiveringsdonet är att kylmantlarna tillför extra material som upptar plats i den begränsade volym som bestäms av den omgi- vande fixturramen. På så vis bestämmer kylmantelns storlek även spolens storlek, vilket i sin tur påverkar aktiveringsdonets effekttäthet och verkningsgrad. En mindre spole har högre resi- stans på grund av mindre koppararea, vilket medför större för- luster och därmed sämre verkningsgrad vid samma magnetise- ring eller mindre effekttäthet vid oförändrad verkningsgrad. Ett annat problem med kylmantlarna är att kylningen av den magne- tostriktiva staven inte blir effektiv, dels på grund av att avståndet mellan kyikanalerna och staven är stort, dels för att mellanlig- gande material försämrar värmeöverföringen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett aktiverings- don som har hög verkningsgrad och hög effekttäthet. Ändamålet uppnås genom anvisande av ett aktiveringsdon som har effektiv kylning utan att något extra material behöver tillföras aktive- flngsdonet 10 15 20 25 30 35 514 575 Vad som kännetecknar ett aktiveringsdon enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Tack vare att åtminstone något av kylkanalens inloppsavsnitt el- ler utloppsavsnitt sträcker sig åtminstone delvis i befintliga per- manentmagnetorgan behövs inte något extra material eller kom- ponenter, till exempel i form av kylmantlar, tillföras aktiverings- donet för att kyla detta. Ett aktiveringsdon enligt uppfinningen blir således kompakt till sin uppbyggnad och utnyttjar tillgänglig vo- lym på ett maximalt sätt så att hög effekttäthet och verkningsgrad erhålles. Den tillgängliga volymen kan då istället användas för att optimera spolens storlek så att låga specifika förluster erhålls. l en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar kylka- nalen en spalt anordnad mellan staven och spolen. Genom att kylningen sker direkt mot staven, blir kylningen av denna mycket effektiv. Ytterligare en fördel med att anordna kylningen i en spalt mellan spolen och staven är att utrymmet i spalten kan ut- nyttjas för olika ändamål, till exempel för att anordna medel för att förbättra värmeövergången mellan stav och kylmedel eller för att anordna medel för att sammanhålla och stötta staven.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar ak- tiveringsdonet en statorcell och en drlvcell, vilka är anordnade rörliga relativt varandra längs med hela drivcellens längdaxel.

Drivcellen innefattar den magnetostriktiva staven och en första del av ett magnetiskt återledarorgan. Statorcellen innefattar spolen, permanentmagnetorganet och en andra del av det mag- netiska återledarorganet. Fördelen med denna utföringsform av uppfinningen är att drivcellen kan sättas in i eller plockas ut ur statorcellen efter behov. Detta är en fördel till exempel vid mon- teringen av aktiveringsdonet, eftersom statorcellen och drivcellen kan byggas färdiga oberoende av varandra innan de sätts ihop.

På så vis minskar toleranskraven vid tillverkningen och montaget blir enklare, billigare och snabbare. Underhållet förenklas också när drivcellen enkelt kan plockas ut ur statorcellen och det räcker med att byta en del om något går sönder. 10 15 20 25 30 35 5-14 575 4 Ytterligare fördelar med denna utföringsform uppnås genom att permanentmagnetorganen är anordnade i statorcellen och inte i drivcellen. En fördel är att för en given längd på drivcellen kan staven ges en större aktiv längd, det vill säga mer magnetostrik- tivt material får plats i drivcellen. Alternativt kan drivcellen göras kortare med samma mängd magnetostriktivt material. En annan fördel är att drivcellen innehåller färre gränsytor mellan staven och magnetkretsens övriga komponenter, vilket är en fördel ur tillverkningssynpunkt.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande innefattar aktiverings- donet en stator och en stack. En stator är ett flertal på varandra staplade statorceller och en stack är ett flertal på varandra stap- lade drivceller. Ju högre stacken är, desto större längdförändring erhålles på grund av den magnetostriktiva effekten. Statorn och stacken är anordnade rörliga i förhållande till varandra. Ovan be- skrivna fördelar vid montage och underhåll blir större ju fler sta- tor- och drivceller som ingår i stacken och statorn. l en alternativ utföringsform av uppfinningen innefattar kylkana- len en eller flera spalter i spolen. Om aktiveringsdonet innefattar en stator och en stack, det vill säga flera drivceller och stator- celler, kan det vara en fördel ur monteringssynpunkt att anordna spalter i spolen istället för mellan spolen och staven. Det behövs då inga extra anordningar i form av styrorgan för att underlätta införseln av stacken i statorn.

Sammanfattningsvis kan sägas att uppfinningen ger mekaniska, termiska, magnetiska och elektriska fördelar. En mekanisk fördel är att aktiveringsdonet är lätt att montera och underhålla. En termisk fördel år den effektiva kylningen. En magnetisk fördel är att en större del av drivcellens längd kan utnyttjas för magneto- striktivt material, vilket innebär ett större längd/radie-förhållande, det vill säga det behövs färre drivceller för samma längd på stacken. En elektrisk fördel är att spolen kan göras större och därmed kan förlusterna minskas. 10 15 20 25 30 35 514 575 5 FIGURBESKRIVNING Ett utföringsexempel av anordningen enligt uppfinningen skall härefter beskrivas med stöd av de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar en delvis skuren, schematisk perspektivvy av ett Figur 2 Figur 3 Figur 4a Figur 4b Figur 5 Figur 6 Figur 7 utförihgsexempel av ett aktiveringsdon enligt uppfin- ningen. visar en tvärsnittsvy av aktiveringsdonet i figur 1. visar ett snitt A-A genom aktiveringsdonet i figur 2. visar en kylkanal i ett snitt C-C genom aktiveringsdonet i figur 2. visar ett alternativt utförande av en kylkanal. visar ett snitt B-B genom aktiveringsdonet i figur 2. visar ett aktiveringsdon innefattande flera på varandra staplade drivcelier och statorceller. visar en alternativ utföringsform innefattande kylkana- ler anordnade i spolen.

Figur 8a och 8b visar två olika utföringsformer, vilka innefattar medel för att förbättra värmeöverföringen mellan den magnetostriktiva staven och kylmedlet.

BESKRIVNING AV UTFÖRlNGSFORMER l figurerna 1-5 visas ett första utföringsform av ett aktiveringsdon enligt uppfinningen. Aktiveringsdonet består av en statorcell 1 och en drivcell 2. Drivcellen innefattar en i huvudsak cylinderfor- mad stav 3 av ett magnetostriktivt material och två centrumplat- 514 575 tor 4a, 4b, vilka har formen av cirkulära skivor och vilka anligger mot stavens 3 båda ändytor. När ett variabelt magnetfält applice- ras på staven, kommer den att förlängas respektive förkortas i sin längdriktning. Statorcellen 1 innefattar en magnetiserande 5 spole 5, vilken omsluter staven 3 och har en symmetriaxel som väsentligen sammanfaller med stavens längdaxel. Vidare inne- fattar statorcellen två permanentmagnetorgan 6, 7 anordnade på motsatta sidor 'om spolen 5 så att de ligger direkt i serie med det magnetflöde som alstras när spolen 5 genomflyts av en magneti- 10 seringsström. Statorcellen 1 innefattar också ändplattor 8a, 8b i form av hålade skivor som är anordnade koncentriskt runt cent- rumplattorna 4a, 4b, och ett väggelement 9, vilket har formen av ett rör med väsentligen samma axiella längd som spolen 5 och som omsluter denna. Väggelementet 9 är i sina båda ändar för- 15 sett med flänsar 9a, 9b anordnade tvärs stavens längdaxel och har bland annat till uppgift att bilda en stödyta ät permanentmag- netorganen 6, 7 och att leda magnetflödet från/till permanent- magneterna. Väggelementet 9, centrumplattorna 4a, 4b och änd- plattorna 8a, 8b är magnetiska återledare och bildar tillsammans 20 med spolen 5, staven 3 och permanentmagnetorganen 6, 7 en sluten magnetisk krets. Hur det magnetiska flödet ser ut i den magnetiska kretsen visas med pilar i den vänstra delen av figur 2. Centrumplattorna 4a, 4b och ändplattorna 8a, 8b är till exem- pel gjorda av mjukmagnetiskt pulvermaterial och/eller laminerat 25 magnetiskt orienterat mjukmagnetiskt material. Väggelementet 9 är exempelvis gjort av lindat mjukmagnetiskt eller pulverbaserat material. l figur 3 visas ett snitt genom ett av permanentmagnetorganen 6, 30 vilket har formen av en ringformad skiva, vars utbredningsplan är väsentligen vinkelrätt mot stavens 3 längdaxel. Permanentmag- netorganet 6 innefattar tre permanentmagneter 6a, 6b, 6c anord- nade bredvid varandra. Permanentmagneternas ena sida anligger mot väggelementets fläns 9a och deras andra sida anligger mot 35 ändplattan 8a. Permanentmagnetorganets 6, 7 ytterdiameter är lika med eller större än väggelementets 9 ytterdiameter. Perma- nentmagneterna 6a, 6b, 6c har formen av stympade cirkelsekto- 10 15 20 25 30 35 514 575 rer och är anordnade så att de mellan två närliggande perma- nentmagneter bildas radiella kanaler 10a, 10b, 100 med ett i hu- vudsak rektangulärt tvärsnitt, se figur 4a. Två av kanalens sidor utgörs av permanentmagneterna 6a, 6b och de andra två sidorna utgörs av ändplattan 8a och väggelementets fläns 9a. Perma- nentmagnetorganet 6 innefattar förutom permanentmagneterna 6a, 6b, 60 också kanalerna 10a, 10b, 100 mellan permanentmag- neterna. På motsvarande sätt finns radiella kanaler 10d-10f an- ordnade i det andra permanentmagnetorganet 7. Kanalen 10e syns ej i figur 1. De radiella kanalerna 10a, 10b, 100 i det första permanentmagnetorganet 6 utgör inloppskanaler för kylmedlet och de radiella kanalerna 10d-10f i det andra permanentmagnet- organet 7 utgör utloppskanaler för kylmedlet. Vid kanalernas mynning finns anordnat anslutningsdon 11a, 11b för kylmedlet.

Figur 4b visar en utföringsform av uppfinningen där permanent- magnetorganet 6 har formen av en solid skiva, i vilken finns ur- frästa radiella kanaler 10g med ett tvärsnitt som har formen av en halvcirkel. Kanalens sidor utgörs av permanentmagnetorganet 6 och ändplattan 8a.

Spolen 5 som är anordnad kring staven 3 har en inre diameter som är större än stavens ytterdiameter och på så sätt bildas en cirkelformad spalt 12 mellan staven och spolen. Spalten 12, som i det följande kallas den första spalten, sträcker sig längs med hela spolens 5 längd. l figur 5 visas spalten 12 i tvärsnitt. Per- manentmagnetorganen 6, 7 har en inre diameter som är väsent- ligt större än spolens inre diameter. innanför permanentmagnet- organen 6, 7 och mellan ändplattan 8a och spolens 5 åndytor finns en andra spalt 13 och en tredje spalt 14. Dessa spalter 13, 14 ansluter dels till inloppskanalerna 10a - 100 dels till utlopps- kanalerna 10d, 10e och dels till den första spalten 12. Kylmedel tillförs aktiveringsdonet via inloppskanalerna 10a - 100 i det för- sta permanentmagnetorganet 6 och passerar via den andra spalten 13 till den första spalten 12 och därifrån via den tredje spalten 14 till utloppskanalerna 10d, 10e i det andra permanent- magnetorganet 7, varvid både spolen 5 och staven 3 erhåller kyl- 10 15 20 25 30 35 514 575 8 ning. I den högra delen av figur 2 visas kylflödet i aktiveringsdo- net med pilar. Kylmedlet kan exempelvis vara en gas eller en vätska.

Spolen är så lindad att dess båda anslutningsledningar kan föras ut väsentligen mitt på väggelementet 9, där ett elektriskt anslut- ningsdon 15 är anordnat och till vilket är anslutet två ledare för tillförsel av drivström till spolen 5. Spolen 5 kan i en annan utfö- ringsform lindas så att dess båda anslutningsledningar kan föras ut i de radiella kanalerna 10a - 10f i permanentmagneterna 6, 7, varvid anslutningsdonet till spolen anordnas vid permanentmag- neterna. Centrumplattorna 4a, 4b och staven 3 har en diameter som är mindre än spolens 5, permanentmagnetorganens 6, 7 och ändplattornas 8a, 8b inre diameter, så att drivcellen 2 kan föras fram och tillbaka genom statorcellen 1 utan att fastna i denna.

För att ytterligare underlätta införseln av drivcellen 2 i statorcel- len 'I är styrorgan 16 anordnade så att de löper åtminstone delvis iden första spalten 12.

Ett godtyckligt antal statorceller och drivceller kan seriekopplas i syfte att erhålla en motsvarande högre magnetostriktiv effekt. Fi- gur 6 visar ett utföringsexempel av ett aktiveringsdon, där tre statorceller ia, 1b, 1c är staplade på varandra. Angränsande statorceller är anordnade så att ändplattorna 8a, 8b anligger mot varandra. De på varandra staplade statorcellerna hålls samman med klamrar 24 anordnade kring centrumplattornas flänsar 9a, 9b. Statorcellerna *la - 1c omsluter tre drivceller 2a, 2b, 2c. Driv- cellerna 2a - 2c är anordnade så att deras längdaxlar samman- faller och angränsande drivcellers centrumplattor 4a, 4b anligger mot varandra. Drivcellerna är förspända med i figuren ej visade fjädrar, så att de pressas mot varandra med en viss kraft och inte kan separeras från varandra under drift. l fortsättningen kommer de på varandra staplade drivcellerna att benämnas en stack 17 och de på varandra stapiade statorcellerna kommer att benäm- nas en stator 18. 10 15 20 25 30 35 514 575 I centrum av statorn 18 finns ett hålrum med ett i huvudsak cir- kulärt tvärsnitt. Hålrummets storlek bestäms av spolens 5, änd- plattornas 8a, 8b och permanentmagnetorganens 6, 7 innerdia- meter. Drivcellerna 2a - 2c är så utformade att stacken 17 kan löpa fritt genom hålrummet i statorn 18, vilket innebär att staven 3 och centrumplattorna 4a, 4b måste ha en ytterdiameter som är mindre än hålrummets diameter. För att stacken 17 på ett enkelt sätt skall kunna föras in i och ut ur statorn 18 vid montage eller underhåll anordnas ett antal styrorgan 16 i form av Iångsträckta stänger, vars längdaxlar är parallella med stackens 17 Iängdaxel.

I detta exempel är styrorganen 16 tre till antalet. Styrorganen är anordnade mellan stacken 17 och statorn 18. Styrorganen 16 är fästa i statorn 18 och löper längs med hålrummets väggar. I cent- rumplattorna 4a, 4b finns urtagningar 25 för styrorganen 16, se figur 1. När stacken 17 skall föras in i statorn 18, glider styrorga- nen 16 i urtagningarna 25 i centrumplattorna 4a, 4b. Styrorganen 16 har en beläggning som ger låg friktion och behöver inte tas bort under drift.

I ett annat utförande av uppfinningen kan styrorganen användas vid montaget för att bygga upp stacken. Styrorganen har då den ytterligare en funktion att sammanhålla drivcellerna under själva monteringen. När stacken förs in i statorn, kan drivcellerna ut- sättas för magnetiska krafter från permanentmagneterna som vill separera drivcellerna från varandra. Då är det en fördel med styrorgan som sammanhåller stacken. Efter montage får styror- ganen lösgöras så att de inte förhindrar stackens rörelse under drift. I denna utföringsform är ändplattorna försedda med urtag- ningar för att styra in styrorganen vid monteringen.

I aktiveringsdonets ena ände är både stacken 17 och statorn 18 infästa i en yttre fixtur. l aktiveringsdonets andra ände är stacken 17 anordnad fri att röra sig när magnetfältet varieras. Aktive- ringsdonets kraft- och rörelseuttag sker vid dess fria ände. I en annan utföringsform kan kraft- och rörelseuttaget ske vid stack- ens båda ändar. 10 15 20 25 30 35 514 575 10 l en alternativ utföringsform kan spolen vara försedd med kanaler för att transportera kylmedel för kylning av både spolen och den magnetostriktiva staven. Figur 7 visar en utföringsform, där det mellan lindningarna i spolen 20 är anordnat två cirkulära längs- gående spalter 21a, 21b. Dessa spalter ansluter till inlopps- och utloppskanalerna i permanentmagnetorganen på samma sätt som beskrivits i föregående utföringsexempel. Stacken är utformad så att centrumplattan och staven har samma diameter. l denna utfö- ringsform finns ingen spalt mellan staven och spolen och därför behövs inga styrorgan för att styra in stacken i statorn, eftersom stacken kan glida direkt mot spolens insida. Spolens insida och stackens mantelyta kan ges en beläggning med låg friktion för att underlägga införandet av stacken.

I en utföringsform av uppfinningen är medel anordnade i spalten mellan spolen och den magnetostriktiva staven för att förbättra värmeövergången mellan staven och kylmedlet. Dessa medel fungerar i vissa fall också så att de stöttar staven mekaniskt, vil- ket är en fördel, eftersom det finns en risk att staven i vissa fall kan spricka. Det finns många sätt att förbättra värmeövergången, till exempel genom att göra stavens yta skrovlig, förse den med flänsar, längsgående eller spiralformade rillor och på sätt öka den värmeöverförande ytan. Ett annat exempel visas i figur 8a, där ett antal ringar 22 av ett material med hög vårmeledande förmåga har anordnats kring staven. Ringarna kan till exempel göras i någon vårmeledande metall, till exempel isolerad koppar.

För att förhindra varvkortslutning kan ringarna förses med öpp- ningar. Ringarna fungerar både som förbättrare av vårmeöver- gången och som mekaniskt stöd för staven. Olika typer av ytför- storande element kan anordnas runt staven, till exempel en fläta 23 av vårmeledande material, exempelvis glasfiber, se figur 8b.

Fördelen med ett ytförstorande element är att det fyller ut spalten så att kylmedlets hastighet ökar och på så vis förbättrar kylning- en. Ytterligare ett sätt att förbättra värmeledningen är att applice- ra någon form av beläggning på staven, exempelvis en belägg- ning av glasfiber. i

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 514 575 11 PATENTKRAV

1. Magnetostriktivt aktiveringsdon med minst en kylkanal in- nefattande en långsträckt stav (3) av magnetostriktivt materialj en magnetiserande spole (5) anordnad kring staven (3), varvid spolen har en första och en andra ände i förhållande till stavens längdaxel, ett permanentmagnetorgan (6, 7) anordnat för att till- sammans med spolen (5, 20) magnetisera staven (3) samt ett magnetiskt återledarorgan (4a, 4b, 8a, 8b, 9) vilket tillsammans med staven, spolen och permanentmagnetorganet bildar en slu- ten magnetisk krets, och åtminstone en kylkanal inrättad att leda ett kylmedel för kylning av aktiveringsdonet, kännetecknat av att kylkanalen innefattar ett inloppsavsnitt (10a- 10c), ett utloppsav- snitt (10d-10f) och ett mellanliggande avsnitt (12, 21a, 21b), var- vid åtminstone ettdera av utloppsavsnittet och inloppsavsnittet sträcker sig åtminstone delvis inämnda permanentmagnetorgan (6, 7).

2. Aktiveringsdon enligt krav 1, kännetecknat av att åtminsto- ne en del av nämnda mellanliggande avsnitt (12, 21a, 21b) är anordnat mellan staven (3) och det magnetiska återledarorganet (4a, 4b, 8a, 8b, 9).

3. Aktiveringsdon enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att det mellanliggande avsnittet innefattar en första spalt (12) anordnad mellan staven (3) och spolen (5).

4. Aktiveringsdon enligt kraven 1-3, kännetecknat av att det mellanliggande avsnittet innefattar en spalt (21a, 21b) anordnad i spolen (20).

5. Aktiveringsdon enligt krav 3, kännetecknat av att i den för- sta spalten (12) är anordnat medel (22) för att förbättra värme- övergången mellan staven (3) och kylmedlet. 10 15 20 25 30 35 514 575 12

6. Aktiveringsdon enligt krav 3 eller 5, kännetecknat av att i den första spalten (12) är anordnat medel (23) för att samman- hålla och stötta staven (3).

7. Aktiveringsdon enligt något av föregående krav, känneteck- ngt_ai_v att permanentmagnetorganet (6, 7) innefattar minst tvâ permanentmagneter (6a-6c, 7a-7c).

8. Aktiveringsdon enligt krav 7, kännetecknat av att perma- nentmagneterna (6a-6c, 7a-7c) är anordnade bredvid varandra och på avstånd från varandra och att permanentmagnetorganet innefattar utrymmet (10a-10f) mellan permanentmagneterna.

9. Aktiveringsdon enligt krav 7 eller 8, kännetecknat av att permanentmagneterna (6a-6c, 7a-7c) utbreder sig väsentligen parallellt med ett plan vinkelrät mot stavens (3) längdaxel.

10. Aktiveringsdon enligt kraven 7-9, kännetecknat av att per- manentmagneterna (6a-6c, 7a-7c) är anordnade så att utrymmet mellan permanentmagneterna bildar nämnda utloppsavsnitt (10d- 10f) och inloppsavsnitt (10a-10c).

11. nat av att det innefattar två permanentmagnetorgan (6, 7), varvid det ena är anordnat vid spolens första ände och innefattar in- loppsavsnittet (10a-10c) och det andra är anordnat vid spolens andra ände och innefattar utloppsavsnittet (10d-10f).

12. Aktiveringsdon enligt krav 1, kännetecknat av att inloppsav- snittet (10a-10c) och utloppsavsnittet (10d-10f) är anordnade vä- sentligen radiellt i förhållande till stavens (3) längdaxel.

13. Aktiveringsdon enligt något av föregående krav, känneteck- nat av att det innefattar anslutningsdon för kylmedlet (11a, 11b) och anslutningsdon (15) för tillförsel av drivström till spolen, var- vid anslutningsdonet för kylmedlet (11a, 11b) är anordnat skilt från anslutningsdonet till spolen (15). Aktiveringsdon enligt något av föregående krav, känneteck-_ 10 15 20 514 575 13

14. Aktiveringsdon enligt något av föregående krav, känneteck- nat av att det magnetiska återledarorganet innefattar en första dei (4a, 4b), vilken tillsammans med .staven (3) bildar en drivcell' (2) och en andra del (8a, 8b, 9), vilken tillsammans med spolen (5, 20) och permanentmagnetorganet (6, 7) bildar en statorcell (1) anordnad kring drivcellen (2), varvid statorcellen (1) och driv- cellen (2) är anordnade rörliga relativt varandra längs med hela drivcellens längdaxel.

15. Aktiveringsdon enligt krav 14, kännetecknat av att det in- nefattar en stator (18), vilken innefattar ett flertal på varandra staplade statorceller (1a-1c) och en stack (17), vilken innefattar ett antal på varandra staplade drivceller (2a-2c), varvid stacken är anordnad 'rörlig i statorn längs med hela statorns längd.

16. Aktiveringsdon enligt kravA 15, kännetecknat av att de pä varandra staplade statorcellerna (1a-1c) är sammanhållna me- delst fästanordningar (24).

17. Aktiveringsdon enligt krav 15 eller 16, kännetecknat av att det innefattar styrorgan (16) anordnade för att underlätta inför- seln av stacken (17) i statorn (18).