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Die Erfindung betrifft einen Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und Schwingungen, insbesondere von Vibrationen und Schwingungen, die während der Arbeitstätigkeit von Maschinen und Maschineneinrichtungen entstehen. Vibrationen gehören zu den wichtigsten den Betriebszustand einer Maschine charakterisierenden Parameter. Die Messung und Auswertung der Vibrationen ist daher ausserordentlich wichtig, insbesondere bei schnellaufenden Rotationsmaschinen und bei Einrichtungen, die im langdauernden Betrieb arbeiten, z. B. bei Dampf-und Gasturbinen.
Bei den genannten wärmeenergetischen Einrichtungen sind die Vibrationsgeber oft hohen Temperaturen und grossen Beschleunigungen mit einer beträchtlichen Schwingungsamplitude ausgesetzt, die in bestimmten Betriebszuständen bis einige Hundert 11m erreicht, wogegen im gewöhnlichen Betrieb die Schwingungsamplitude nur einige wenige 11m beträgt. Weitere an die Vibrationsgeber gestellte Anforderungen sind kleine Abmessungen und ein kleines Gewicht, eine lineare Charakteristik im gesamten Messbereich und eine elektromagnetische Störstabilität.
Derzeit werden zum Abtasten von Vibrationen oft Induktionsgeber benutzt, bei denen ein permanenter Magnet auf einer elastischen Membrane zwischen zwei ortsfest angeordneten Spulen aufgehängt ist. Bei einer Bewegung des Magneten in bezug auf die Spulen wird in den Spulen eine elektromotorische Kraft induziert, die mit einer entsprechenden Einrichtung verstärkt und gemessen wird. Der Nachteil dieser bekannten Induktionsgeber besteht darin, dass unter schweren Bedingungen, insbesondere bei einer beträchtlichen Erhöhung der Vibrationsamplitude, die Membrane platzt.
Ein anderer bekannter Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen besteht aus einem ortsfest angeordneten äusseren magnetischen Ring, einem mit Spiel in dem zylindrischen Hohlraum des äusseren Ringes beweglich gelagerten inneren magnetischen Ring und einer in dem engen zylindrischen Zwischenraum zwischen den beiden magnetischen Ringen auf einer Führungsbüchse angeordneten dünnen Abtastspule. Durch die Schwingung des inneren beweglichen magnetischen Ringes wird in der Abtastspule eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt und gemessen wird.
Der Nachteil dieser Ausführung des Induktionsgebers besteht in einem relativen schwachen Signal und einer mangelhaften Führung des inneren beweglichen Ringes innerhalb des äusseren festen magnetischen Ringes, die im Betrieb eine erhöhte Reibung und eine Schiefstellung der relativ zueinander beweglichen Teile und damit, vor allem bei kleinen Vibrationsamplituden, beträchtliche Nichtlinearität in Abhängigkeit von der induzierten elektromotorischen Kraft von der Relativgeschwindigkeit der magnetischen Ringe hervorruft. Die Benutzung dieses bekannten Induktionsgebers ist daher aus den angeführten Gründen nur auf die Messung in vertikaler Richtung beschränkt.
Bei einer andern bekannten Ausführung des Induktionsgebers ist in einem Leitprofil über einem unbeweglich gelagerten festen Magnet eine dünne scheibenförmige Abtastspule konzentrisch angeordnet, über welcher Spule dann ein axial verschiebbarer Magnet angeordnet ist. Angesichts der gegenläufigen Polorientierung der genannten Magnete werden in ihrem gemeinsamen Stirnraum axiale Abstosskräfte gebildet, die als ein Druckfederelement wirken, die den verschiebbaren Magnet in einer Dauerschwebe über dem festen Magnet halten. Diese Ausführung des Induktionsgebers ermöglicht nur die Messung von Vertikalschwingungen.
Es ist auch ein Induktionsgeber für Vibrationen bekannt, bei dem ein verschiebbarer permanenter Magnet in einer Hülse angeordnet und beiderseitig mit zwei Federn befestigt ist, wobei rund um die Hülse eine Induktionsspule angeordnet ist. Bei der Bewegung des verschiebbaren Magneten in der Spule wird eine elektromotorische Kraft induziert, die in geeigneter Weise verstärkt, gemessen und ausgewertet wird. Der Nachteil dieses Gebers besteht in einer niedrigen Empfindlichkeit infolge des Einflusses der Reibung in der Hülse und infolge des Drehmoments, das durch die Feder auf den permanenten Magneten ausgeübt wird und denselben an die Hülsenwand drückt. Ausserdem beschränkt die Masse und die Eigenfrequenz der Federn die Anwendung dieser Geber auf einen verhältnismässig engen Frequenz- und Beschleunigungsbereich.
Weiters ist die Federerzeugung mit einer genauen Charakteristik und mit genauen Abmessungen schwierig und kostspielig.
Aus der DE-OS 2532247 ist weiters ein Induktionsgeber zum Abtasten von Schwingungen bekannt, der aus einer Hülse besteht, in deren axialem Hohlraum in einem gemeinsamen Stirnraum
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ein axial beweglicher permanenter Magnet gelagert ist, der beidseitig mittels Membranfedern auf- gehängt ist, wobei in der Hülse rund um den gemeinsamen Stirnraum Induktionsspulen aufgewickelt sind. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass Membranen bzw. Membranfedern immer wieder Ur- sache von Störungen und nicht genauer Linearität sind.
Schliesslich liegt eine andere Art der Schwingungsmessung, insbesondere bei den erwähnten wärmeenergetischen Anlagen in der Anwendung von piezoelektrischen Schwingungsgebern. Bei die- sen Gebern wird die Fähigkeit einiger Kristalle, mechanische Kräfte in eine elektrische Spannung umzusetzen, ausgenutzt. Diese Spannung ist proportional der bei der Schwingung entstehenden
Beschleunigung der Masse des piezoelektrischen Gebers. Die so entstehende elektrische Spannung wird dann mit einer entsprechenden Einrichtung wieder verstärkt, gemessen und ausgewertet.
Der Vorteil der piezoelektrischen Geber besteht einerseits in ihrer Fähigkeit, grosse Beschleuni- gungen und Schwingungsamplituden zu vertragen, und anderseits in kleinen Abmessungen. Nach- teilig ist dagegen die Übermittlung von schwachen Signalen. Aus diesem Grund muss die zuständi- ge verstärkende Einrichtung von dem piezoelektrischen Geber in einer verhältnismässig geringen
Entfernung angeordnet sein. Weiterhin sind die piezoelektrischen Geber sehr empfindlich gegen ein ungleichmässiges Temperaturfeld in der Umgebung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der derzeit bekannten Induk- tionsgeber grösstenteils zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Induktionsgeber zum Abtasten von Vibrationen und
Schwingungen, bestehend aus einer Hülse, in deren axialen Hohlraum in einem gemeinsamen Stirn- raum ein axial beweglicher permanenter Magnet angeordnet ist, wobei in der Hülse rund um die- sen gemeinsamen Stirnraum Induktionsspulen aufgewickelt sind, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse je ein Magnet fest angebracht ist, dessen Pole untereinander gleichlaufend und gegenüber den Polen des beweglich in der Hülse gela- gerten Magneten gegenläufig angeordnet sind.
Beim Erfindungsgegenstand ist somit der bewegliche permanente Magnet nicht mit den bisher üblichen Membranen bzw. Membranfedern aufgehängt, sondern in einem durch die festen Magneten aufgebauten magnetischen Feld, womit die oben genannten Nachteile von Membranen bzw. Membranfedern beseitigt sind.
Der erfindungsgemässe Induktionsgeber hat relativ kleine Abmessungen und verträgt beträchtliche Beschleunigungen und Vibrationsamplituden. Er ist anspruchslos, verträgt auch ein ungleichmässiges Temperaturfeld und übermittelt ein verhältnismässig starkes Ausgangssignal, womit die Anbringung der Verstärker- und Messeinrichtung in einer grösseren Entfernung ermöglicht wird.
Der erfindungsgemässe Induktionsgeber besitzt weiters eine sehr hohe Empfindlichkeit. Bei der
Erhaltung einer linearen Charakteristik der Abhängigkeit der elektromotorischen Ausgangskraft von der Geschwindigkeit beträgt er Temperaturen bis 250oC.
Ausführungsbeispiele des Induktionsgebers nach der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Induktionsgebers im Axialschnitt und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform ebenfalls im Axialschnitt.
In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 besteht der Induktionsgeber aus einem geschlossenen walzenförmigen Körper --7--, in dessen Hohlraum eine Hülse --2-- angeordnet ist, wobei in den beiden Enden des axialen Hohlraumes der Hülse jeweils ein fester Magnet --5 bzw. 6-konzentrisch angeordnet ist. Zwischen den festen Magneten ist in dem axialen Hohlraum der Hülse --2-- in einem gemeinsamen Stirnraum ein walzenförmiger, axial beweglicher permanenter Magnet-l-konzentrisch gelagert.
Die gegenseitige gleichlaufende Polorientierung der festen Magnete --5 und 6-- und die gegenüber diesen gegenläufige Polorientierung des beweglichen permanenten Magneten-l-bilden sowohl im ersten Polraum --9-- zwischen dem ersten festen Magnet --5-- und dem beweglichen permanenten Magnet --1--, als auch in dem zweiten Polraum --10-- zwischen dem zweiten festen Magnet --6-- und dem beweglichen permanenten Magnet-l-axiale Abstosskräfte, so dass die magnetischen Felder in den erwähnten Polräu- men --9, 10-- als federnde Druckelemente mit einer sehr günstigen Charakteristik wirken.
Die in beiden Stirnpolräumen 10--eingeführten Abstosskräfte verhindern in beliebiger
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Ruhelage des Induktionsgebers eine unmittelbare Berührung des beweglichen Magneten --1-- mit irgendeinem der festen Magneten --5, 6--. Der bewegliche permanente Magnet --1--, in dem eine axial durchgehende Lüftungsöffnung --12-- ausgebildet ist, ist auf seiner äusseren Oberfläche mit einer Antifriktionshülle --8-- versehen. Das Material der Gleitfläche der Antifriktionshülle --8-- und das Material der Hülse --2-- sind mit Rücksicht auf einen minimalen gegenseitigen Reibungskoeffizienten gewählt.
In der ersten beschriebenen Ausführungsform ist die Antifriktions- hülle --8-- aus Messing gebildet, und auf der Reibungsfläche mit einer Chromschicht versehen, wobei die Hülse --2-- in dieser ersten Ausführungsform aus Teflon hergestellt ist.
In der äusseren walzenförmigen Oberfläche der Hülse --2-- sind zwei Umfangsnuten vorgesehen, in denen Induktionsspulen --3, 4-- pseudobifilar aufgewickelt sind. Wie bekannt, besteht die Spulenwicklung in der Bifilarausgestaltung aus zwei in einem Spulenraum angeordneten und durch zwei Leiter mit ungefähr gleicher Länge gebildeten Leiterketten. Der Leiter einer Kette ist gegenläufig gegenüber dem Leiter der zweiten Kette aufgewickelt und beide Leiter sind abwechselnd in unmittelbarer Nähe aufgewickelt und in der Mitte der Gesamtlänge dieser Spulenwicklung miteinander leitend verbunden. Die Bifilarausgestaltung der Spulenwicklung bezweckt, die beim Durchfluss des elektrischen Stroms durch beiden Spulenleiterketten entstehenden magnetischen Felder gegenseitig zu kompensieren.
Unter dem Begriff"pseudobifilare Ausgestaltung der Spulenwicklung" soll hier die Ausgestaltung beider Spulenleiterketten in zwei unabhängigen Spulenräumen verstanden werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Spulenleiterkette der ersten Induktionsspule --3-in bezug auf die zweite Spulenleiterkette der zweiten Induktionsspule --4-- axial versetzt, so dass in dieser pseudobifilaren Ausgestaltung, die beim Durchfluss des elektrischen Stroms durch beide Leiterketten entstehenden magnetischen Felder nur teilweise kompensiert werden.
Dem gegen- über ermöglicht aber diese pseudobifilare Ausgestaltung, die gesamte elektromotorische Kraft, die bei einer gegebenen axialen Bewegung des permanenten Magneten-l-in dem Hohlraum der Hülse --2-- induziert wird, zu erhöhen, und schwächt ferner einen eventuellen Störungseinfluss eines äusseren magnetischen Feldes. Zu dieser Schwächung des Störungseinflusses eines äusseren magnetischen Feldes trägt auch die Ausbildung des Körpers --7-- aus ferromagnetischem Material bei.
Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform des Induktionsgebers ist die Hülse --2-- in ihrem axialen Hohlraum überdies mit einer dünnwandigen walzenförmigen Antifriktionseinlage --11-- versehen. Die Hülse --2-- besteht in dieser zweiten Ausführungsform vorteil-
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raum der Hülse --2-- und gewährleistet die Messstabilität der Hülse --2-- auch bei relativ hohen Temperaturänderungen.
Die körperliche Ausbildung der andern Teile des Induktionsgebers der zweiten Ausführungsform ist praktisch dieselbe wie beim Induktionsgeber nach der ersten Ausfüh-
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Lagerständer einer Turbine, beginnt sich der permanente Magnet --1-- gegenüber den andern Teilen des Induktionsgebers zu bewegen, d. h. gegenüber dem Körper --7-- mit der Hülse --2--, den festen Magneten --5, 6-- und den Induktionsspulen --3, 4--. Während dieser Bewegung überschneiden die Kraftlinien des permanenten Magneten --1-- die Wicklung der Induktionsspulen --3, 4--, in denen die resultierende elektromotorische Kraft induziert wird, die dann mittels einer geeigneten Einrichtung verstärkt und gemessen wird.
Bei der beschriebenen vorteilhaften pseudobifilaren Ausgestaltung der Induktionsspulen --3, 4-- ist diese resultierende elektromotorische Kraft die Summe der elektromotorischen Kräfte, die separat in der ersten Induktionsspule --3-- und der zweiten Induktionsspule --4-- entstehen, und ist daher maximal.
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The invention relates to an induction transmitter for sensing vibrations and vibrations, in particular vibrations and vibrations that arise during the work of machines and machine equipment. Vibration is one of the most important parameters that characterize the operating state of a machine. The measurement and evaluation of the vibrations is therefore extremely important, especially in the case of high-speed rotary machines and in facilities that work in long-term operation, e.g. B. in steam and gas turbines.
In the thermal energy devices mentioned, the vibration transmitters are often exposed to high temperatures and high accelerations with a considerable vibration amplitude, which in certain operating states reaches up to a few hundred 11 m, whereas in normal operation the vibration amplitude is only a few 11 m. Other requirements placed on the vibration transmitter are small dimensions and a small weight, a linear characteristic in the entire measuring range and electromagnetic interference stability.
At present, induction transmitters are often used to sense vibrations, in which a permanent magnet is suspended on an elastic membrane between two stationary coils. When the magnet moves with respect to the coils, an electromotive force is induced in the coils, which force is amplified and measured with an appropriate device. The disadvantage of these known induction transmitters is that the membrane bursts under severe conditions, in particular with a considerable increase in the vibration amplitude.
Another known induction transmitter for sensing vibrations consists of a fixedly arranged outer magnetic ring, an inner magnetic ring movably mounted with play in the cylindrical cavity of the outer ring and a thin sensing coil arranged on a guide sleeve in the narrow cylindrical space between the two magnetic rings . The oscillation of the inner movable magnetic ring induces an electromotive force in the scanning coil, which is appropriately amplified and measured.
The disadvantage of this design of the induction transmitter consists in a relatively weak signal and inadequate guidance of the inner movable ring within the outer fixed magnetic ring, which in operation results in increased friction and an inclination of the parts which are movable relative to one another and thus, especially with small vibration amplitudes, considerable non-linearity depending on the induced electromotive force from the relative speed of the magnetic rings. For the reasons given, the use of this known induction transmitter is therefore limited only to the measurement in the vertical direction.
In another known embodiment of the induction transmitter, a thin disk-shaped scanning coil is arranged concentrically in a guide profile above an immovably mounted fixed magnet, over which coil an axially displaceable magnet is then arranged. In view of the opposite polar orientation of the magnets mentioned, axial repulsive forces are formed in their common end space, which act as a compression spring element, which hold the displaceable magnet in a permanent suspension above the fixed magnet. This version of the induction transmitter only enables the measurement of vertical vibrations.
An induction transmitter for vibrations is also known, in which a displaceable permanent magnet is arranged in a sleeve and is fastened on both sides with two springs, an induction coil being arranged around the sleeve. When the displaceable magnet moves in the coil, an electromotive force is induced, which is appropriately amplified, measured and evaluated. The disadvantage of this encoder is a low sensitivity due to the influence of the friction in the sleeve and due to the torque which is exerted by the spring on the permanent magnet and presses it against the sleeve wall. In addition, the mass and natural frequency of the springs limit the use of these sensors to a relatively narrow frequency and acceleration range.
Furthermore, the spring production with a precise characteristic and with exact dimensions is difficult and costly.
From DE-OS 2532247 an induction transmitter for sensing vibrations is also known, which consists of a sleeve in the axial cavity in a common end space
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an axially movable permanent magnet is mounted, which is suspended on both sides by means of membrane springs, induction coils being wound around the common end space in the sleeve. A disadvantage of this arrangement is that diaphragms or diaphragm springs are always the cause of faults and not exact linearity.
Finally, another type of vibration measurement, particularly in the case of the thermal energy systems mentioned, is the use of piezoelectric vibration sensors. These sensors make use of the ability of some crystals to convert mechanical forces into electrical voltage. This voltage is proportional to that generated during the vibration
Acceleration of the mass of the piezoelectric encoder. The resulting electrical voltage is then amplified, measured and evaluated again with an appropriate device.
The advantage of piezoelectric encoders is, on the one hand, their ability to tolerate high accelerations and vibration amplitudes, and, on the other hand, their small dimensions. On the other hand, the transmission of weak signals is disadvantageous. For this reason, the responsible amplifying device must be relatively small by the piezoelectric sensor
Distance. Furthermore, the piezoelectric sensors are very sensitive to an uneven temperature field in the area.
The invention is therefore based on the object of largely eliminating the disadvantages of the currently known induction sensors.
This task is based on an induction transmitter for sensing vibrations and
Vibrations, consisting of a sleeve, in the axial cavity of which an axially movable permanent magnet is arranged in a common end space, induction coils being wound around the common end space in the sleeve, according to the invention solved in that in both ends of the Axial cavity of the sleeve, a magnet is firmly attached, the poles of which are arranged in the same direction with respect to one another and opposite to the poles of the magnet movably mounted in the sleeve.
In the subject matter of the invention, the movable permanent magnet is therefore not suspended with the membranes or membrane springs that have been customary to date, but rather in a magnetic field built up by the fixed magnets, which eliminates the above-mentioned disadvantages of membranes and membrane springs.
The induction transmitter according to the invention has relatively small dimensions and tolerates considerable accelerations and vibration amplitudes. It is undemanding, also tolerates an uneven temperature field and transmits a relatively strong output signal, which enables the amplifier and measuring device to be attached at a greater distance.
The induction transmitter according to the invention also has a very high sensitivity. In the
Maintaining a linear characteristic of the dependence of the electromotive output force on the speed, it is temperatures up to 250oC.
Embodiments of the induction transmitter according to the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail below. In the drawings: FIG. 1 shows a first embodiment of the induction transmitter according to the invention in axial section and FIG. 2 shows a second embodiment also in axial section.
In the first embodiment according to FIG. 1, the induction transmitter consists of a closed cylindrical body --7--, in the cavity of which a sleeve --2-- is arranged, a fixed magnet in each case in the two ends of the axial cavity of the sleeve - -5 or 6 concentrically arranged. A roller-shaped, axially movable permanent magnet-1-concentric is mounted between the fixed magnets in the axial cavity of the sleeve --2-- in a common end space.
The mutually synchronous pole orientation of the fixed magnets --5 and 6-- and the opposite pole orientation of the movable permanent magnet-l-form both in the first pole space --9-- between the first fixed magnet --5-- and the movable one permanent magnet --1--, as well as in the second pole space --10-- between the second fixed magnet --6-- and the movable permanent magnet-l-axial repulsive forces, so that the magnetic fields in the mentioned pole spaces men --9, 10-- act as resilient pressure elements with a very favorable characteristic.
The repulsive forces introduced in both end pole spaces 10 prevent any
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Rest position of the induction transmitter is a direct contact of the movable magnet --1-- with any of the fixed magnets --5, 6--. The movable permanent magnet --1--, in which an axially continuous ventilation opening --12-- is formed, is provided with an anti-friction cover --8-- on its outer surface. The material of the sliding surface of the anti-friction sleeve --8-- and the material of the sleeve --2-- are chosen with a view to a minimum mutual coefficient of friction.
In the first embodiment described, the anti-friction sleeve --8-- is made of brass and provided with a chrome layer on the friction surface, the sleeve --2-- being made of Teflon in this first embodiment.
Two circumferential grooves are provided in the outer cylindrical surface of the sleeve --2--, in which induction coils --3, 4-- are wound pseudobifilarly. As is known, the coil winding in the bifilar configuration consists of two conductor chains arranged in a coil space and formed by two conductors of approximately the same length. The conductor of one chain is wound in the opposite direction to the conductor of the second chain and both conductors are alternately wound in the immediate vicinity and conductively connected to one another in the middle of the total length of this coil winding. The bifilar design of the coil winding is intended to mutually compensate for the magnetic fields generated when the electrical current flows through both coil conductor chains.
The term "pseudobifilar configuration of the coil winding" is to be understood here to mean the configuration of both coil conductor chains in two independent coil spaces. In the illustrated embodiment, the first coil conductor chain of the first induction coil --3-is axially offset with respect to the second coil conductor chain of the second induction coil --4--, so that, in this pseudobifilar embodiment, the magnetic that is produced when the electrical current flows through both conductor chains Fields can only be partially compensated.
On the other hand, however, this pseudobifilar configuration enables the total electromotive force which is induced in a given axial movement of the permanent magnet-1-in the cavity of the sleeve - 2 - to be increased and further weakens any possible interference external magnetic field. The formation of the body --7-- from ferromagnetic material also contributes to this weakening of the influence of interference from an external magnetic field.
In the second embodiment of the induction transmitter shown in FIG. 2, the sleeve --2-- is also provided in its axial cavity with a thin-walled cylindrical anti-friction insert --11--. In this second embodiment, the sleeve --2-- is advantageously
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space of the sleeve --2-- and ensures the measuring stability of the sleeve --2-- even with relatively high temperature changes.
The physical formation of the other parts of the induction transmitter of the second embodiment is practically the same as that of the induction transmitter after the first embodiment.
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Turbine bearing stand, the permanent magnet --1-- begins to move relative to the other parts of the induction generator, i.e. H. compared to the body --7-- with the sleeve --2--, the fixed magnets --5, 6-- and the induction coils --3, 4--. During this movement, the lines of force of the permanent magnet --1-- overlap the winding of the induction coils --3, 4--, in which the resulting electromotive force is induced, which is then amplified and measured using a suitable device.
In the advantageous pseudobifilar embodiment of the induction coils --3, 4-- described, this resulting electromotive force is and is the sum of the electromotive forces which arise separately in the first induction coil --3-- and the second induction coil --4-- therefore maximum.