Kompass mit Wirbelstromdämpfung der Nadelschwingungen. Die Erfindung betrifft einen, Kompass, bei dem in der Nähe ,der Nadel Metallmassen vorgesehen sind, in denen von dem magneti schen Feld der schwingenden Nadel Wirbel ströme hervorgerufen werden, die dämpfend auf die Nadelschwingungen einwirken.
Bis her hat man zu diesem Zweck flache Kupfer ringe um oder unter -dem von den Nadelspit zen bestrichenen Raum angeordnet und da mit eine merkliche Verminderung der Ein spielzeit erreicht; es ist aber bisher nicht ge lungen, die Einspielzeit auf einige Sekunden herabzudrücken, wie es wünschenswert ist.
Der Weg, .den: die Erfindung einschlägt, um dieses Ziel anzustreben, beruht auf der Erkenntnis, dass es notwendig ist, den Luft raum zwischen er Magnetnadel und dem Metallkörper möglichst klein zu machen, ferner dem Metallkörper eine solche Wand stärke zu geben,
dass besonders die Bereiche der .grössten. Kraftliniendichte des die Magnet nadel umgebenden magnetischen Feldes weit gehend innerhalb der Metallmasse liegen und schliesslich einen möglichst kurzen<B>,</B> Richt- magneten zu verwenden.
Gemäss,der Erfindung ist daher der Kom pass in der Weise ausgebildet,,dass die Wand stärke des den Schwingungsraum des Richt- magnetes umgebenden Dämpfkörpers in den Bereichen der :
grössten Kraftliniendichte des Magnetes ein Vielfaches ödes nicht mehr als 0,5 mm betragenden Luftabstandes, zwischen Richtmagnet und Dämpfkörper .ist, und dass der Mchtmagnet einen Wert
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aufweist, der den Betrag von 400 Gauss übersteigt, wo bei<I>l</I> .die ILänge, <I>d</I> die Dicke, beide in. mm,
und B die Kraftflussdichte des Richtmagne- tes in Gauss (Anzahl -der Kraftlinien pro em2) bedeutet. Zweckmässig kann hierbei die Wandstärke des Dämpfkörpers mehr als, ein Viertel der Länge,des Richtmagnetes, betra gen.
Die Forderung, dass der für die Wi.rbel- stromdämpfung vorgesehene Metallkörper die Nadel bezw. ihren Bewegungsraum. mög- liehst dicht umschliessen soll, lässt sich ohne Schwierigkeiten bei solchen Kompassen er zielen, deren Nadel zweimal gelagert ist, wo diese also keine Schwingungen in vertikaler Richtung ausführen kann.
Bei solchen In- strumenten aber, bei denen die Nadel in nur einem Punkt aufgehängt ist, ist die Verrin gerung des Abstandes zwischen dem Metall körper und den Breitseiten der Nadel nur bis zu einem gewissen Grade möglich, weil näm lich hier die Nadel nur dann ungehindert spielen kann, wenn der Kompass- einiger massen waagrecht liegt.
Um dies zu erreichen, kann eine Magnet nadel verwendet werden, die höchstens halb so lang ist als die sonst üblichen Magnet nadeln, deren Länge von dem KompaZ- gehäusedurchmesser bestimmt wird.
Dann ist der Bereich, den die Nadelspitze bei einem bestimmten Ausschlagwinkel ,der Nadel in senkrechter Richtung bestreicht, erheblich kleiner als bei einer Nadel üblicher Länge, so dass der Metallkörper erheblich näher an die Breitseite der Nadel herangebracht wer den kann.
So kurze Kompassnadeln aus dem üblichen Magnetstahl würden aber eine sehr geringe Richtkraft aufweisen. Es kann daher zweck mässig als Material für die Nadel ein Stahl von hoher Koerzitivkraft (erheblich über 100 derstedt) und guter Remanenz verwen det werden.
Wird zum Beispiel an Stelle des bisher meist benutzten Wolframstahls ein 3 < 5 %iger Kobaltstahl verwendet, so lässt sich die Nadel ohne weiteres auf ein Drittel der üblichen Länge verkürzen, ohne die Einstell genauigkeit zu ;gefährden.
Da nun aber so kurze Nadeln eine genaue Ablesung der Gradteilung erschweren wür den, kann die Magnetnadel mit einer beson deren, längeren, möglichst leichten Anzeige nadel versehen sein. Hierbei kann zweck mässig ,die Länge des Richtmagnetes, höch stens gleich dem Radius des von der Spitze der Anzeigenadel beschriebenen. Kreises aus geführt sein.
Ein solches schwingendes System ist infolge der kurzen Magnetnadel sehr günstig hinsichtlich des Trägheitsmo- mentes.
In der Verwendung einer kurzen Magnet nadel liegt noch ein weiterer Vorteil.. Der Durchmesser eines Kompasses, insbesondere eines Marschkompasses, der handlich und des halb möglichst klein sein soll, ergibt sich im wesentlichen aus dem Durchmesser der Kom- passTose, die wiederum die Länge .der Zeiger nadel bestimmt.
Wird nun beispielsweise die Magnetnadel mit einer Länge, von einem Bruchteil des Kompassidurchmess,ers ausge- führt, dann verbleibt im Kompassgehäuse ein genügend grosser Raum zur Unterbringung des Metallkörpers für die Wirbelstromdämp- fung. Würde man dagegen:
eine Magnetnadel von üblicher Länge (also der der Zeiger nadel) anwenden, dann müsste man den Kom- pass.durchmesser über das durch die Ringtei- lung bedingte Massi hinaus wesentlich vergrö ssern, um den dämpfenden Metallkörper in ,der notwendigen Wandtärke anordnen zu können.
Als Werkstoff für den Metallkörper kann man .Silber, Kupfer, Aluminium oder dergl. verwenden, jedenfalls zweckm-ä@ssig ein Metall von hoher Leitfähigkeit und magneti- scher Indifferenz, also von einer Suszeptibili- tät, die nahe bei Null liegt.
Für Marschkompasse ist. Aluminium we gen seines geringen Gewichtes vorzuziehen. Das handelsübliche Aluminium ist jedoch nicht immer gut verwendbar. weil :schon ganz geringe Zusätze von andern Metallen, und auch die vorangehende Bearbeitung ,durch Ziehen oder Walzen die Leitfähigkeit merk lich herabsetzen, und die Einspielzeit- der Nadel in noch stärkerem Masse verlängern.
Es können .deshalb zweckmässig solche Leicht metalle verwendet werden. deren spezifisches Gewicht unter 3 gr(emg liegt, und deren elek trische Leitfähigkeit meh? als
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beträgt, also beispielsweise Weichaluminium mit einer Reinheit von mehr als 99 %.
Der Kompass ist auf der Zeichnung .durch mehrere Ausführungsbeispiele veranschau licht. Fig. 1 zeigt einen Marschkompass, im Querschnitt; F'ig. 2 zeigt schaubildlich den aus Richt- maggnet und Anzeigenadel bestehenden schwin genden Teil des Kompasses; Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungs form des schwingenden Teils;
Fig. .1 zeigt schematisch eine zweite Aus führungsform des Kompasses, und Fig. 5 dieselbe im Grundriss; Fig. 6 zeigt schematisch eine dritte Aus führungsform des Kompasses im Querschnitt: Fig. 7 zeigt eine vierte Ausführungsform des Kompasses im Querschnitt, und Fig. 8 dieselbe in Seitenansicht; Fig. 9 und 10 zeigen je eine weitere Aus- führungsform des Kompasses im Querschnitt;
Fig. 11 zeigt eine Einzelheit der Ausfüh- rungsform nach Fig. 10 in schaubildlicher Darstellung; F'ig. 12 und 13 zeigen je eine weitere Ausführungsform des Kompasses im Quer schnitt; F'ig. 14 zeigt eine Einzelheit .der Aus führungsform nach F'ig. 13 in Seitenansicht. Der Dämpfkörper (Fig. 1) ist mit a, die Magnetnadel (oder besser gesagt der Richt magnet) mit b, und die Anzeigenadel mit c bezeichnet.
Um den verfügbaren Raum für den Dämpfkörper a weitgehend nutzbar zu machen, ist dieser hier mit dem Kompass- gehäuse zu einem Stück, beispielsweise zu einem Spritzgussteil vereinigt, wodurch zu- gleichdie Herstellung ,des Kompasses wesent lich vereinfacht und verbilligt wird.
Der schwingende Teil des Kompasses be steht aus der Zeigernadel c, die mit dem Richtmagneten<I>b</I> durch das Stäbchen<I>d</I> ver bunden ist. Wird, wie es hier geschehen ist. die Zeigernadel nur einseitig ausgebildet. dann muss die Gleichgewichtslage :des schvrin- genden Teils b, c durch ein Gegengewicht e hergestellt werden.
Bei diesem, wie auch bei allen im folgen den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Wandstärke des den Schwingungsraum des Richtmagnetes umgebenden Dämpfkör pers in dien Bereichen der grössten Kraft liniendichte des Magnetes ein Vielfaches des Luftabstandes zwischen Richtmagnet und Dämpfkörper. Als. Luftabstand kommt die kleinste Entfernung zwischen Magnet und Dümpfkärper im Bereich der .grössten Kraft liniendichte, in der. Regel an den Polenden. in Frage.
Er übersteigt in Wirklichkeit bei keinem der Beis=piele 0,5 mm, obschon auf der Zeichnung der Deutlichkeit halber der Abstand grösser dargestellt ist.
Ferner sind in allen Fällen Länge l in mm, Dicke <I>d</I> in mm und Kraftflussdichte B in Gauss des Richtmagnetes so bemessen, dass der Wert
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den Betrag von 400 Crauss übersteigt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich,
beträgt die Wandstärke .des Dämpfkörpers a sogar mehr als ein Viertel der Lünge des R.icht- mabanetes b.
Man kann austaM des -einen Magnetes auch deren zwei vorsehen und diese so anord nen, d:ass sie,die Pinne in sich, einschliessen.
Auf diese Weise lässt sich das. bei einem I3ochleistungsstahl meist recht schwierige Durchbohren des Magnetes vermeiden. In Fig. 3 ist ein. solches Magnetsystem schau bildlich dargestellt, worin die beiden Ma gnete mit b und b2 bezeichnet sind, die durch ein Verbindungsstück f, welches die Zeiger nadel c trägt, gehalten werden.
Rückt man die beiden Einzelmagnete ge nügend weit auseinander, dann entsteht zwi schen diesen und der Pinne -ein Raum, der sich mit dämpfender Metallmasse ausfüllen lässt. Es ergibt sich ,dann die in den Fig. 4 und 5 in Querschnitt und Draufsicht Gche- matischdargestellte Kompassform, 'bei der die beiden entsprechend gebogenen Magnete b und b@ in einer kreisförmigen Rille g des Dämpfkörpers a umlaufen.
Dieseenge, zwei seitige Umschliessung der Magnetnadel wirkt sich sehr günstig auf die Dämpfung der Nadelschwingungen aus, weil hier -die aus dem Magneten austretenden Kraftlinien un mittelbar und sehr weitgehend von der dämp fenden Metallmasse aufgenommen werden.
Die Länge eines jeden. Magnetes dieses Ausführungsbeispiels bestimmt sich aus dem Mittel der Längen der innern und äussern Begrenzungsflächen und betrage beispiels- weise 1,6 mm.
Als Dicke des Magnetes gilt der Durchmesser des dem Magnetquerschnitt inhaltgleichen. Kreises, sie betrage 2,29 mm. Das Dimensionsverhältnis i ist dann d
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Als Werkstoff für die Richtmagnete sei 3,6 %iger KobaRstahl angenommen.
Für die sen beträgt die Kraftflussdichte B, die sich aus der für jede .Stahlsorte von der Herstel lerfirma angegebenen Hysteresiskurve und dem Dimensionsverhültnis errechnet, 6000 Gauss. Damit isst
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Gauss. Dieser Wert übersteigt also den oben als Mindestbetrag angegebenen erheblich.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in erster Linie als Marschkompasse bestimmt, die, sich beim Gebrauch in etwa horizontaler Lage befind- den. Will man einen Kompass gemäss der Er findung auch bei starker Schräglage, zum Beispiel im Flugzeug benutzen,
dann dürfen die sieh daraus ergebenden Schräglagen der Richtmagnete und deren Schwingungen in vertikaler Richtung nicht behindert werden. Es ist deshalb hier nicht möglich, oberhalb oder unterhalb der Nadel den dämpfenden Metallkörper so nahe an die Nadel heranzu- bringen, wie esr bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 5 vorgesehen ist.
Es ver bleibt somit für die Anordnung des Metall- körpers nur die den der Nadel seitlich umschliessende Ringzone.
Würde man nun hier zum Zweck der Dämp fung ,der Nadelschwingungen in bekannter Weise nur einen flachen zylindrischen Ring anordnen, dann würde nur eine sehr geringe Dämpfung eintreten, und auch nur dann, wenn sich ,der Kompass, in horizontaler Lage befindet, wenn. Nadel und Metallkörper also ungefähr in einer Ebene liegen,
weil nur dann die zu einer wirksamen Wirbelstrom- dämpfung notwendige Anzahl von Kraft- linien von dem Metallkörper aufgenommen werden kann. Eine solche Dämpfungsart wäre für einen; Kompass der genannten, Art also unzureichend.
Es wird deshalb vorgeschlagen, für einen solchen Kompass einen Metallkörper zu ver wenden, der innen kugelförmig ausgebildet ist, und die Kompassnadel so anzuordnen, dass ihr Drehpunkt mit dem Mittelpunkt der Ku gelfläche wenigstens annähernd zusammen fällt.
In den Fig. 6 bis 9 sind drei Ausfüh- rungsformen dieser Kompassart dargestellt. Davon zeigt Fig. 6; die Anordnung des in dem kugelförmigen Hohlraum des Metallkör pers<I>a</I> schwingenden: Systemas <I>b,</I> c schema tisch.
Der Richtmagnet b isst hier gekrümmt, um den Kraftfluss weitgehend durch den Metallkörper zu leiten und so für die Wir belstrombildung nutzbar zu machen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine vollständige Aus- führungsfarm eines Kompasses der letztbe schriebenen Art in Querschnitt und Seiten- ansicht. An Stelle der Anzeigenadel ist hier die Kompassrose h, die die Form eines:
Kugel- ab- oder -ausschnittes aufweisen kann, mit dem Richtmagneten b verbunden, während ein auf -dem Kompassgehäuse vorgesehener Index i der Anzeige dient. Zur .Stabilisierung des schwingenden Systemas ist ein ringför miges Gegengewicht 7r. vorgesehen. Der dämpfende Metallkörper ist auch hier mit a bezeichnet.
F'ig. 9 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform. Hier dient die als Scheibe ausgebildete Kom- passrose h zugleich zur Stabilisierung des schwingenden Systemas,
so dass. sich ein be- sonderee Gewicht hierfür erübrigt. Das Kom- passgehäuse besitzt eine ringförmige Durch blicksöffnung d zur Beobachtung der Rosen stellung, die an einem Index m, abgelesen werden kann.
Die dämpfende Wirkung der Wirbel ströme auf die Magnetnadel lässt sich noch weiter steigern, wenn man den Richtmagne ten (oder ein .System von solchen) ausserhalb des Unterstützungspunktes so anordnet, dass der Magnet in seiner ganzen Länge dicht an den ihm zugekehrten; Begrenzungsflächen des dämpfenden Metallkörpers entlang :streicht, wie es in den Fig. 4 und 5 schon für einen :
blarschkompass gezeigt wurde.
Eine solche Ausführungsform zeigen Ei-. 10 und 1,1, wo eine gebogene Magnet nadel b verwendet wird, anderen Enden mit tels dünner Drähte oder Bleche n die Kom- .passteilung l>, so aufgehängt ist, dass der Schwerpunktdiesel Systemei unterhalb seines Stützpunktes liegt und das ,System,
all seitig schwingen kann. Bei .dieser Ausfüh- rungsform ist, wie bei derjenigen nach Fig. 4 und 5, der Richtmagnet nicht nur an seiner äussern Breitseite von einem kugelförmig um schliessenden --Metallkörper d umgeben, son dern auch innerhalb des von der schwingen den Nadel begrenzten Raumes ist ein dämp fender Metallkörper a" angebracht,
der hier beispielsweise die Lagerschale p für das in Ei-. 11 schematisch :dargestellte schwingende System<I>b,</I> h, <I>n</I> trägt und sich auf die Grund- platte des Kompasses stützt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 befindet sich die Magnetnadel oberhalb ihres Stützpunktes; die Konstruktion lässt sich aber auch umkehren, wie die Fig. 12. zeigt, wo zwei Richtmagnete b und bz unterhalb des Stützpunktes der Kompassrose li, hängen.
In Fig. 13 und 14 ist schliesslich noch eine Ausführungsform mit .drei Richtmagne- ten dargestellt.
Der Magnet b befindet sich oberhalb, die Magnete b2 und b3 dagegen un- terhalb des Stützpunktes, und zwar zu bei den Seiten .der :die Dämpfkörper <I>a'</I> und<I>a"</I> miteinander verbindenden Schraube q, wie aus der Fig. 14 zu ersehen ist, die das schwingende System zeigt.
Die Teilung der Pose lt ist wie bei den Ausführungsbeispie- len i, 8 und 10, 11 in Form von Meridianen ausgeführt und kann durch eine Lupe auch bei Schräglage (nicht nur am Äquator) abgelesen werden.
Es mag noch erwähnt werden, dass, sich Kompasse der vorbeschriebenen Art auch mit einer zusätzlichen Luft- oder Flüssigkeits dämpfung versehen lassen. Im ersteren Falle werden an dem schwingenden System in ge- eignet r Weise leichte Rippen angebracht, wie es bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 geschehen ist,
wo die Rippen mit s bezeichnet sind. Im zweiten Falle wird even tuell auch unter Verwendung von Rippen wie bei der Luftdämpfung, der Hohlraum, in dem das Magnetsystem schwingt, mit Flüssigkeit gefüllt. Hierfür ist die Anord nung nach Fig. 13 besonders :günstig.