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Verlustwaage zur zerstörungsfreien Messung der Ummagnetisierungsverluste an Elektro- blechen
Es ist wohl möglich, die spez. Verluste von Elektroblechen zerstörungsfrei mit hoher Genauigkeit zu messen (österr. Patentschrift Nr. 191015, Industrieanzeiger, Verlag W. Girardet, Essen, Ausgabe Blech in Konstruktion und Fertigung", 18. Dez. 1956, S. 23), jedoch ist, der Aufwand ziemlich gross.
Bekanntlich wachsen die Verluste annähernd mit dem Quadrat der Induktion. Es ist daher bei geringerer Genauigkeit möglich, die Verluste bei höheren Induktionen aus Messungen bei niedrigeren Induktionen zu ermitteln. Bei niedriger Induktion (max. etwa 10 kG, während in der Starkstromtechnik die Verluste bei Induktionen bis zu etwa 15 und 18 kG interessieren) ist die Feldstärke gering. Es sind daher die Luftstreufelder und auch die seitlichen Streufelder im zu prüfenden Blech selbst klein.
Auch die Spannungsabfälle in den Erregerwicklungen und die dadurch verursachten Phasen- und Kurvenformfehler sind
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tionen verwendbaren Geräten trotz geringer Genauigkeit der messtechnische Aufwand erheblich (Wattmeter, Vektormesser, geregelte Wechselstromquellen usw.). Meist ist dann ein primitives Anlegejoch nur ein Zubehör zu-einer Messeinrichtung, die wegen der Mängel des Anlegejoches praktisch doch nur mit einem Streifenjoch, verwendet wird.
Die Messungen erfordern oft erst eine rechnerische Auswertung (Ermittlung der Fläche der Ummagnetisierungsschleife aus der Messung der Breite der Schleife bei verschiedenen Induktionen).
Erfindungsgemäss werden die Verluste ohne jede elektrische Messeinfdchtung und ohne Wechselstrommagnetisierung allein mit mechanischen Mitteln gemessen.
Ordnet man einen Magneten. frei über einem Eisenbissch an und bewegt, ihn parallel zum Blech, so werden, einzelne Stellen des Bleches nacheinander magnetisiert und entmagnetisiert. Dieses Magnetisieren und Entmagnetisieren erfordert eine Arbeit, die in einem Zusammenhang mit den spez.
Verlusten des Bleches steht und zweifellos bei der angeführten. Bewegung des Magneten aufzuwenden ist. Es gibt dann die erforderliche Antriebs- kraft ein, bei so primitiver Anordnung allerdings sehr rohes Mass für. die spez. Verluste. Ordnet man mehrere Magnete mit wechselnder Polung hintereinander an und bewegt diese Magnetfolge im Sinne der im Blech erzeugten Felder relativ zum Blech, so wird, dieses unter den Magneten periodisch ummagnetisiert.
Während bei einer solchen Anordnung eine Relativbewegung zwischen Messeinrichtung und Blech erforderlich ist, ist es auch möglich, bei einer relativ zum Blech ruhenden Einrichtung ein Wechselfeld mechanisch zu erzeugen, in dem man z. B. in ein Joch einen rotierenden Magneten einfügt. Die fü] j das Ummagnetisieren jdes zu prüfenden Bleches erforderliche Arbeit muss auch hier für den Antrieb aufgewendet werden. Auch hier kann also die Antriebskraft als Mass für die Verluste genommen werden.
Der gemeinsame Grundgedanke ist also, dass Magnete verwendet werden, die Ummagnetisierung durch mechanische Veränderungen erfolgt und die dazu erforderlichen Antriebskräfte gemessen werden.
Es ist natürlich nicht wesentlich, dass es sich um Dauermagnete handelt, es könnten ebensogut Gleichstrommagnete sein. Auch ist es nicht notwendig, dass die Magnete selbst bewegt, bzw. relativ zum Blech bewegt werden. Man kann die KraftHüsse auch durch zwischengefügte bewegte Leitstücke aus Eisen umsteuern, wie später an einem Beispiel erläutert wird.
Die Tatsache, dass die Verlustmessung auf eine Kraftmessung zurückgeführt wird, führte zu der Wahl der Bezeichnung Verlustwaage". Obwohl die oben angedeuteten Wege zur mechanischen Messung der Verluste äusserlich sehr unterschied-
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bisder rotierende Magnet 3 eingefügt. Es könnte auch ein U-förmiges Joch verwendet werden. Das E-
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Joch streut jedoch weniger, wie dies von entsprechenden Jochanordnungen in elektrisch arbeitenden Messeinrichtungen bekannt ist. Bei hinreichend grossen Luftspalten im Joch bzw. zwischen diesem und dem zu prüfenden Blech ist der magnetische Widerstand des Bleches bei mässigen Induktionen vernachlässigbar und der Kraftfluss im Blech wird nur bestimmt durch den Magneten und dessen Lage und den magnetischen Widerstand der Luftspalte.
Bei gegebener Blechdicke ist das erforderliche Antriebsdrehmoment ein Mass für die spez.
Verluste, wenn die Drehzahl entsprechend einer festen Frequenz gewählt wird, für die die Messwerte gelten sollen. Hiezu ist noch zu sagen, dass einem Anlegejoch ein prinzipieller Fehler anhaftet.
Die spez. Verluste sind bei einseitiger Magneti-
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grösser.. Die richtigen Verhältnisse zwischen Wirbelstrom- und Hysteresisverlusten erhält man,
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bei einseitigerderungen an die Genauigkeit der so entstehende
Fehler in Kauf genommen werden kann. (Vergl.
Industrieanzeiger, Dez. 1956, S. 23.) Es ist auch möglich, die Verluste für verschiedene Frequenzen zu ermitteln. Da die Antriebs- leistung das Produkt von Winkelgeschwindigkeit und Drehmoment ist, ist die Anzeige entsprechend der zu ändernden Antriebsgeschwindigkeit umzu- rechnen, wenn man nicht für einige feste Fre- quenzen verschiedene Skalen vorsieht. Bei sehr kleiner Geschwindigkeit erhält man die Hysteresis- verluste allein, die an den für höhere Frequenzen vorgesehenen Skalen direkt für diese Frequenzen ablesbar sind.
Der Antrieb kann von Hand erfolgen, in wel- chem Fall Schwungmassen für eine genügend
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oder ein Asynchronmotor mit wenig Schlupf verwendet.
Eine weitere Vervollkommnung der Jochanordnung unter Weglassung der Antriebs- ùnd Messanordnung zeigt Fig. 2. Es ist erstrebenswert, den Einfluss einer seitlichen Streuung im Blech, die von der Magnetisierungskurve und einer eventuellen Anisotropie des Bleches abhängt, möglichst klein zu halten. Das erfordert entweder ein ausserordentlich breites Joch, oder es wird dadurch erreicht, dass dem Messjoch beiderseits ein Abschirmjoch zugeordnet wird (2a, 2b). Die Magnetisie- tUngssysteme 3a, 3, 3b in den 3 Jochen werden synchron und phasengleich angetrieben. Um die Messung des Antriebsdrehmomentes im Messjoch zu ermöglichen, muss die Kupplung zwischen dessen Magnetsystem und den äusseren Magnetsystemen etwas elastisch sein. Es hat diese Anordnung
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S. 14-17).
Auch dort wird die Messung auf einen mittleren Bereich beschränkt, in dem hinsichtlich Magnetisierung möglichst homogene Verhältnisse herrschen. Während jedoch dort die Induktionsmessung auf den mittleren Teil beschränkt wird, wird hier die Messung der Antriebskraft auf den mittleren Teil beschränkt. Während dort eine gemeinsame Magnetisierungswicklung vorhanden ist,
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die MagnetisierungMagnetisierungssystemen mechanisch. Die Magnetsysteme 3a, 3, 3b müssen jeweils den richtigen Kraftfluss liefern, wozu es zweckmässig ist, diese Teile je mit einem einstellbaren magnetischen Nebenschluss 4a, 4, 4b zu versehen.
Die Lagerung der Magnetsysteme erfordert bei den kleinen zu messenden Kräften besondere Sorgfalt, was'aber für das Prinzip unwesentlich ist.
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der magnetisch wirksamen Teile zeigt, soll Fig. 3 im Prinzip eine mögliche Ausbildung des Antriebs und des Anzeigeteils darstellen. Die Magnetsysteme 3a, 3, 3b sind mit Zahnrädern 5a, 5, 5b versehen. Die Magnetsysteme 3a und 3b werden über Zahnräder 6a und 6b, die starr auf der An-
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systems 3 erfolgt über Zahnräder 8 und 8b, die auf einer gemeinsamen, jedoch auf der Seite von Zahnrad 8 nachgiebig in einem Hebel 10 gelagerten Welle 9 sitzen. Wird ein Drehmoment
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Weicht die Blechdicke vom Nennmass ab, so ergibt sich, da der Kraftfluss durch die magnetischen Widerstände im Joch festgelegt ist, eine andere Induktion.
Der Einfluss auf die Anzeige lässt sich leicht rechnerisch berücksichtigen. Es sei auf die eingangs erwähnte, annähernd quadratische Ab- hängigkeit der Verluste von der Induktion verwiesen. Es ist also nicht notwendig, Massnahmen zu treffen, um den Kraftfluss der Blechstärke anzupassen. Die Verluste in dem ausgemessenen Bereich ändern sich bei festem Kraftfluss in umge- kehrtem Sinn wie die Blechstärken. Die rechne-
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13 vorgesehen, mit der an Hand einer Skala durch Änderung der Spannung der Saite 11 die Emp- findlichkeit-der Messanordnung verändert wird.
Man'kann, wie eingangs bereits erwähnt, eine Ummagnetisierung auch dadurch erzielen, dass man einen Magneten, oder ! besser eine. Folge von ab-
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wechselnd) gepolten Magneten 14 parallel zum Blech bewegt, wie Fig. 4 andeutet. Während bei der zuerst beschriebenen Anordnung die Ummagnetisierung in allen Teilen des erfassten Blechabschnittes gleichzeitig erfolgt, wild hiebei die Ummagnetisierung einzelner Blechabschnitte nach- einander vorgenommen. Bei Fortbewegung der Magnetfolge um den doppelten Polabstand : durch- läuft jeder Punkt des Bleches unter den Magneten einmal die Magnetisierungsschleife. Nur am Anfang und am Ende der Anordnung ergibt sich eine Unregehnässigkeit, da auf der einen Seite immer wieder neue Blechabschnitte von dem Prozess erfasst werden, auf der andern Seite wieder ausscheiden.
Es ist hier, wie auch bereits erwähnt, die für die Fortbewegung erforderliche Kraft zu messen.
Es kann natürlich auch das Blech : bewegt werden und unter der Messeinrichtung durchgezogen werden. Eine derartige Anordnung zeigt Fig. 5. Hier ist die Magnetanordnung 14 an Federgelenken 15 aufgehängt, die ein Nachgeben parallel zum Blech erlauben. Dass auch hier magnetische Neben- schlüsse 4 Anwendung finden können, ist ebenso klar, wie die Übertragung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung zur Kraftmessung und zur Berücksichtigung der Blechstärke (11, 12,13). Diese Messeinrichtung scheint besonders für laufende Messungen an ganzen Tafeln und besonders an Bänt dem geeignet, wobei sich die Messeinrichtung zweckmässig über die ganze Breite erstreckt.
Es wäre natürlich genau so möglich, bei einer kleineren Messanordnung, die nicht die ganze Blechbreite erfasst, gleichartige Magnetanordnungen zur Aufnahme der seitlichen Streuung vorzusehen,
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einseitiger Magnetisierung auch hier zu beachten.
Man kann die Mängel des Anlegejoches, so- weit sie durch einseitige Magnetisierung verur- sacht sind, ausschalten, wenn man spiegelbildlich eine gleiche Anordnung unter dem Blech vorsieht.
Das gilt auch für die früher erläuterte Anordnung nach Fig. 1-3. Dann ist die Magneiisierungs- frequenz gleich der Frequenz zu wählen, für die die Verluste gelten sollen, die Antriebsgeschwindigkeit also entsprechend höher zu wählen. Bei genügender Gleichheit der beiden Anordnungen genügt die Messung der Antriebskraft auf einer Seite, sonst ist mechanisch oder rechnerisch die Summe der Antriebskräfte beider Seiten zu bilden.
Bei sehr geringen Anforderungen an die Genauigkeit und wenn es nicht notwendig ist, in verschiedenen Richtungen messen zu können, was bei normalen, nicht orientierten Blechen im Dynamobau in Frage kommt, kann man Magnete auch im Kreis über dem Blech anordnen und rotieren lassen. Auch da lassen sich verschiedene Einzelheiten der früher beschriebenen Anordnungen übernehmen. Einer seitlichen Abschirmung würde hier ein äusserer und ein innerer Magnetring entsprechen. Eine Anordnung mit umlaufenden Polen zeigt Fig. 6. Dort ist auch noch gezeigt, dass es nicht notwendig ist, die Magnete selbst zu bewegen. Das gilt übrigens auch für die früher beschriebenen Anordnungen. Es ist hier beispielsweise vorgesehen, dass der Kraftfluss über Leitstücke 17 von dem feststehenden Ringmagneten 16 dem Blech zugeführt wird.
Nur die Leitstücke selbst und diesen zugeordnete Ringe 18 und 19 rotieren. Das an der Antriebsachse 20 auf zuwendende Drehmoment ist zu messen. Natürlich ist es zweckmässig, mehr als die eingezeichneten 2 Leitstücke lanzuordnen. Die Leitstücke 17 entnehmen abwechselnd den Kraftfluss dem äusseren Ring 19 und dem inneren Ring 18. Diese Ringe haben den Zweck, die Kraftflüsse der Leitstücke gleichmässig auf die beiden ringförmigen Polflächen des Magneten 16 aufzuteilen.
Je nach den Anforderungen an die Genauigkeit und dem Anwendungszweck werden die ver- schiedenen Ausführmngsfonnen (mit und ohne seitliche Abschirmung, feststehendes Joch mit ein-
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dene Frequenzen zu ermitteln, sowie auch bei sehr kleinen Geschwindigkeiten die Hysteresisverluste allein zu bestimmen.
PATENTANSPRÜCHE :
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von einem Motor relativ zum Blech bewegtes oder 1 in Drehung versetztes Magnetisierungssystem (3, Fig. 1-3, 14, Fig. 4 und 5, 17, Fig. 6) sowie zur Anzeige der Ummagnetisierungsverluste eine die Antriebskraft bzw. das Antriebsdrehmoment messende Einrichtung (Fedenwaage, Drehmomenten- 1
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