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aus Heft 19 vom Oktober 1935 von Dr. Paul Hatschek, D.K.G.

Wie in den Berichten über die Großen Deutschen Funkausstellungen 1934 und 1935 (Hefte Nr. 17/34 und 17/35) hervorgehoben wurde, setzte vor einigen Jahren eine stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Werkstoffe für Dauermagnete ein, die das allmähliche Verschwinden des fremderregten dynamischen Lautsprechers zur Folge hat.

Diese Entwicklung begann etwa vor vier Jahren (1932) auf Grund der Erfindung einer neuen Legierung (Eisen-Nickel-Aluminium) für Magnetstähle durch den Japaner T. Mishima und wurde in Deutschland durch die Deutschen Edelstahlwerke A.G. in Krefeld fortgeführt, deren letzte Schöpfung - der Magnetstahl "Koti 900" - die Konkurrenz des fremderregten Magneten praktisch bereits ausschaltet.

• Anmerkung : Das hier ist noch nicht der bekannte ALNICO Magnet (Aluminium, Nickel, Cobalt)

Es ist meist weniger bekannt, daß die Ausnutzung der neuen Werkstoffe nur dann in vollem Umfang möglich ist, wenn der aus ihnen hergestellte Magnet in ganz bestimmter Art geformt wird, d. h. die Formgebung sich den Werkstoffeigenschaften anpaßt. In der vorliegenden Arbeit sollen die hierbei auftretenden Probleme geschildert werden.

Die Teilbilder a, b und c der Abb. 1 versuchen die Aufzeigung der Planungsfragen, die bei der Formgebung von Permanentmagneten auftreten. Ein vollkommen in sich geschlossener Magnet ist für praktische Zwecke wertlos, weil ein in einem Luftspalt des Magneten herrschendes magnetisches Kraftlinienfeld benötigt wird.

Dieser Forderung entsprechen die Typen a, b und c der Abb. 1. In ihnen wurde der aus Magnetstahl bestehende Teil schraffiert und der aus Weicheisen bestehende Teil unschraffiert gezeichnet.

Da nun Magnetstahl sowohl kostspielig als auch von hohem Gewicht ist, so besteht selbstverständlich der Wunsch, einen möglichst großen Teil des Körpers, wie dies bei a und b der Fall ist, aus billigem und leichtem Weicheisen herzustellen. Bei b und c sind die zu beiden Seiten des Luftspalts gelegenen Teile - die „Polschuhe“ - aus Weicheisen ausgeführt, während umgekehrt bei der Type a die Polschuhe aus Magnetstahl bestehen und ihr magnetischer Schluß durch ein Stück Weicheisen bewirkt wird.
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Man kann nun den magnetischen Kreis ähnlich wie einen elektrischen Stromkreis auffassen und sich vorstellen, daß in ihm Widerstände in Serie geschaltet sind, die man im magnetischen Kreis als Reluktanzen bezeichnet und die in unserem Fall aus den drei Gruppen bestehen:

Magnetstab,
Weicheisenstab und
Luftspalt.

Die Frage der Formgebung vereinfacht sich dann dahin, bei welcher gesamten Reluktanz des magnetischen Kreises die beste Ausnutzung des Magneten erzielt wird. Der Konstrukteur des Magneten hat, sofern es sich um die Konstruktion eines Magneten für dynamische Lautsprecher handelt, einen Luftspalt gegebener Länge (L) und gegebenen Querschnitts (A) vorgeschrieben.

Da der Querschnitt des Luftspalts gleich dem Querschnitt des Gesamtkörpers ist, so ist noch das Längenverhältnis zwischen dem Stahlteil und dem Weicheisenteil zu ermitteln. Die Größe der Reluktanz (R) ist aber durch den Quotienten R = L/Au gegeben, worin L die Länge, A den Querschnitt und u die Permeabilität des Materials bedeutet.

Nun ist die Permeabilität von Luft gleich Eins, die von Weicheisen in der Größenordnung von etwa drei Zehnerpotenzen und die des Magnetstahls wenig größer als Eins. Hieraus geht hervor, daß die Reluktanz des Weicheisenteils gegenüber der des Stahlteils (bei gleichem A und L) um mindestens drei Zehnerpotenzen kleiner ist.

Dies bedeutet, daß man bei Ermittlung der gesamten Reluktanz eines magnetischen Kreises den Weicheisenteil vernachlässigen und sich auf Luftspalt und Stahlteil beschränken kann.

Da auch der Luftspalt vorgegeben ist, bleibt schließlich die Reluktanz des Magnetstabes als einzige Größe übrig, die durch Formgebung - d. h. durch entsprechende Wahl des Verhältnisses von L zu A - beeinflußbar ist.

Da der Magnetstab gleichzeitig Erzeuger des Kraftlinienflusses und der Reluktanz (also des Widerstandes) ist, liegt es nahe, ihn mit dem Generator eines elektrischen Stromkreises zu vergleichen, dessen Innenwiderstand auf jenen Wert gebracht werden soll, der die günstigste Leistung ergibt. Selbstverständlich kann jede noch so komplizierte Magnetform auf den Typus des einfachen Ringes der Abb. 1 zurückgeführt werden.
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Von welchen physikalischen Verhältnissen diese „Leistungsanpassung“ abhängig ist, ergibt sich aus der Betrachtung der Magnetisierung und Demagnetisierung von Magnetstählen.

Wird ein Magnetstahlstück durch Einbringung in ein elektromagnetisches Feld irgendeiner Feldstärke (H), die in Oersted gemessen wird, ausgesetzt, so wird in diesem Stahlstück eine bestimmte Induktion (B) hervorgerufen, die in Gauß gemessen wird.

Läßt man nun die Stärke des einwirkenden Feldes - z. B. durch Abschaltung des die Induktionsspule durchfließenden Stromes - auf Null absinken, dann sinkt die Induktion (B) bekanntlich nicht gleichfalls auf Null, sondern auf irgendeinen Wert herab, dessen Größe von der vorangegangenen Höchstfeldstärke und der Materialkonstante der betreffenden Stahlart abhängt.

War diese vorangegangene Höchstfeldstärke so bemessen, daß eine weitere Erhöhung keine gleichzeitige Erhöhung desjenigen Induktionswertes erbringt, der bei Absinken der Feldstärke auf Null verbleibt, dann bezeichnet man diesen verbleibenden Induktionswert als Remanenz.
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Setzt man nun das magnetisierte Stahlstück einem Gegenfeld aus, dessen Stärke man - z. B. durch Erhöhung der Stärke des die Induktionsspule durchfließenden Stromes - allmählich erhöht, dann verringert sich selbstverständlich auch die Größe der zurückgebliebenen Induktion, bis diese bei irgendeiner für das Material charakteristischen Stärke des Gegenfeldes, der sog. Koerzitivkraft, den Wert Null erreicht.

Man kann somit von jedem magnetisierten Material, das vorher der wirksamen Höchstfeldstärke ausgesetzt war, eine Entmagnetisierungskurve aufnehmen, die je nach den magnetischen Eigenschaften des Materials einen flacheren oder steileren Verlauf besitzt.

(In Abb. 3 sind W und Oe 500 Beispiele zweier extremer Typen derartiger Entmagnetisierungskurven, deren eine durch größere Remanenz, die andere durch größere Koerzitivkraft charakterisiert ist.)
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Wiederum läßt sich durch die Vergleichung des elektrischen und des magnetischen Kreises eine leichtere Veranschaulichung gewisser ähnlicher Verhältnisse ermöglichen. Wenn zwischen zwei Punkten eines elektrischen Stromkreises eine gegebene Spannungsdifferenz besteht und man diese zu verkleinern wünscht, dann stehen z. B. zwei gleichwertige Methoden zur Verfügung.

Man kann nämlich erstens an diese beiden Punkte eine Gegenspannung anlegen oder aber zweitens in den elektrischen Kreis einen Widerstand einschalten, durch den der gleiche Effekt erzielt wird.

In ähnlicher Weise können die Induktionswerte eines vormagnetisierten Körpers nicht nur durch Anlegung eines Gegenfeldes, sondern auch durch die Vergrößerung des Widerstandes im magnetischen Kreis verringert werden. Man kann also die gleichen Typen von Entmagnetisierungskurven dadurch erhalten, daß man z. B. den „Innenwiderstand" des Magnetstabes, also seinen Quotienten L/A vergrößert, z. B. seine Länge (L) bei gleichbleibendem Querschnitt (A) wachsen läßt.
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Der Konstrukteur eines Magneten hat also die Möglichkeit, innerhalb weiter Grenzen den Widerstand des magnetischen Kreises durch Abstimmung der Länge und des Querschnittes des Magnetstabes gegeneinander zu verändern und sich hierdurch denjenigen Punkt der Entmagnetisierungskurve als Arbeitspunkt auszusuchen, der ihm als der geeignetste erscheint.

In Abb. 2 sind auf einer Entmagnetisierungskurve drei Arbeitspunkte (A1, A2 und A3) eingezeichnet, und es sei die Frage aufgeworfen, welcher von diesen drei Arbeitspunkten am günstigsten gelegen ist, somit die dem Magnetstahl innewohnende Energie am besten auszunutzen gestattet.

Die drei Arbeitspunkte unterscheiden sich offenbar dadurch, daß die (scheinbare) Koerzitivkraft und Remanenz bei jedem von ihnen eine andere ist, so daß wir uns zu fragen haben, welches Verhältnis zwischen diesen beiden Größen grundsätzlich das günstigste ist.

Man kann nun zur Beantwortung dieser Frage nur auf dem Weg gelangen, daß man den Magnetstahl als Energiespeicher betrachtet und eine Untersuchung darüber anstellt, von welchen Faktoren die Größe der in einem Würfel von 1cm Kantenlänge (Einheitswürfel) aufspeicherbaren magnetischen Energie abhängt.

Auf dem Wege einer verhältnismäßig einfachen Ableitung gelangt man zu dem Ergebnis, daß die aufspeicherbare Energie (E) proportional dem Produkt aus Feldstärke (H) mal Induktion (B) ist. Bildet man dieses Produkt, wobei die Feldstärke in Oersted und die Induktion in Gauß einzusetzen ist und dividiert dieses Produkt durch 8 x pi, so erhält man die magnetische Energie pro Einheitswürfel, gemessen in E(rg).

Betrachten wir nun nochmals Abb. 2, in welcher die Feldstärke in Oersted und die Induktion in Gauß angegeben wurde, so ist die Größe B mal H, die proportional der aufspeicherbaren Energie ist, durch den Flächeninhalt eines Rechtecks gegeben, von welchem zwei Seiten durch das Koordinatenkreuz, die beiden anderen durch die beiden Normalen gebildet werden, die vom gewählten Arbeitspunkt auf den beiden Koordinaten errichtet werden.

Diese Hilfskonstruktionen sind in Abb. 2 durchgeführt, wobei man sofort erkennt, daß das für den Arbeitspunkt A2 konstruierte Rechteck den größten Flächeninhalt hat. Hieraus ergibt sich also, daß unter den drei herausgegriffenen Arbeitspunkten der mittlere die beste Ausnutzung der dem vorliegenden Magnetstahl innewohnenden Energie gestattet.

Man ist also ganz allgemein in der Lage, auf dem Wege der Konstruktion denjenigen Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve zu ermitteln, der die bestmögliche Energieausnutzung gewährleistet, und ihn - durch geeignete Größenbestimmung des Quotienten L/A für den Magnetstab - auch zu erreichen.

Weil nun in der geschilderten Konstruktion die Flächengröße des Rechtecks proportional der ausnutzbaren Energie des Magnetstahls ist, so läßt sich eine andere Fragenstellung durch sie beantworten. Man kann in das Achsenkreuz die Entmagnetisierungskurve verschiedener magnetischer Materialien 1 einzeichnen und für jede dieser Kurven dasjenige Rechteck konstruieren, welches dem günstigsten Arbeitspunkt entspricht.

In Abb. 3 ist eine solche Konstruktion für verschiedene Magnetstahlsorten durchgeführt, wobei sich herausstellt, daß die Flächengröße des Rechtecks um so mehr wächst, je flacher die Entmagnetisierungskurve der Stahlsorte verläuft.

Ziffernmäßig ergibt sich für 6%igen Wolframstahl (die am steilsten verlaufende Kurve c der Abb. 3) ein nutzbarer magnetischer Energieinhalt von 14.000 E(rg), für Oerstit 500 (die flachste der Kurven) ein solcher von 50.000 E(rg), so daß der nutzbare Energieinhalt einer Stahlsorte außerordentlich stark vom Kurvenverlauf abhängig ist.

Diese Betrachtung macht erst die ungeheure Entwicklung auf dem Gebiet der Entwicklung von Dauermagneten zum größten Teil verständlich, die auf der planmäßigen Schaffung von Magnetsorten mit möglichst großem B.H.-Wert (die Spitzenleistung bildet Koti 900 mit 72.000 Erg) und Herstellung von Magnetformen aus diesen Materialien, die den Arbeitspunkt in das Gebiet des Maximalwerts hineinverlegen, beruht.

Schließlich erbringen aber die neuen Materialien und Formen durch Verringerung der Streuverluste eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades. Die magnetischen Kraftlinien verlaufen nicht ausschließlich innerhalb des Magnetstahls, sondern treten zu einem gewissen Teil aus ihm seitlich in die Luft heraus.

Je kürzer daher die Stablänge (vgl. a in Abb. 1) des Magneten im Verhältnis zur Länge des Weicheisenteils gehalten werden kann, aus welchem wegen dessen größerer Permeabilität weniger Kraftlinien austreten, desto geringer werden die Streuverluste. Ein äußerst wichtiger Fortschritt wird schließlich in bezug auf Streuverluste durch Verlegung des Luftspalts in den Stahlteil (in Abb. 1) erzielt, wie sich aus folgender Überlegung ergibt:

Ähnlich wie in der Optik der Austrittswinkel von Strahlen an der Grenze zweier Medien von dem Verhältnis der Brechungskoeffizienten dieser beiden Medien abhängt, hängt auch die Streuung der Kraftlinien im Luftspalt von dem Verhältnis der Permeabilität des Eisens und der Luft zueinander ab.

Das Verhältnis der Permeabilität von Weicheisen zu dem der Luft beträgt etwa 1:1000, was die ungeheueren Streuverluste in Weicheisen-Luftspalten begreiflich macht. Nun ist die Permeabilität nichts anderes als der Quotient B/H, also in den Abb. 2 und 3 das Seitenverhältnis der in die Entmagnetisierungskurven eingezeichneten Rechtecke, das äußerstenfalls 1:3 bis 1:4 betragen mag, also um etwa drei Größenordnungen kleiner ist als das Permeabilitätsverhältnis bei Weicheisenspalten.

Deshalb wird die Streuung im Luftspalt auf ein Minimum herabgesetzt und die nutzbare Energie weiter vergrößert, wenn man ihn in den Stahlteil hineinverlegt.
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Durch Schaffung neuer Legierungen und besonderet Wärmeverfahren (insbesondere Ausscheidungshärtung (d. i. Abschreckung von hohen Temperaturen und allenfalls neuerliches Anlassen auf mittlere Temperaturen und nachfolgende langsame Abkühlung) gelang in den letzten Jahren die Schaffung von Magnetstählen extrem hoher Koerzitivkraft bei hoher Remanenz.

Für diese neuen Materialien wurden neue Magnetformen entwickelt, bei denen durch ein geeignetes Verhältnis der Länge zum Querschnitt des Magnetstabes jener Arbeitspunkt erreicht wird, an welchem die beste Ausnutzung der im Stahl aufgespeicherten Energie möglich ist, wobei der flache Kurvenverlauf gewisse Toleranzen in bezug auf die Wahl des Arbeitspunktes gestattet.

Die Verkürzung der Stablängen verkleinert die Verluste durch Seitenstreuung, während die Streuverluste im Luftspalt dadurch gewaltig verringert werden, daß man diesen in den Magnetstahl velegt und hierdurch das Permeabilitätsverhältnis zwischen Luft und Austrittsmaterial (Stahl statt Weicheisen) um etwa drei Größenordnungen verkleinert.
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