Magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche Systemachse In neuerer Zeit sind reibungsarm gelagerte Ach sen für Messinstrumente oder Steuergeräte bekannt geworden, welche einseitig an einem Torsionsfaden aufgehängt sind und deren freies Ende sich in einem inhomogenen Magnetfeld befindet, welches bewirkt, dass der Torsionsfaden gestreckt und die Achse je nach ihrer Richtung zum Lot und<B>je</B> nach der jewei ligen Belastung mehr oder weniger genau zentriert wird.
Diese Achsen sind wegen der einseitigen Auf hängung am Torsionsfaden bezüglich Drehung um ihre Längsachse in einem stabilen Gleichgewicht, das heisst, um sie um den Winkel T um ihre Längsachse zu verdrehen, ist ein Drehmoment erforderlich, das in erster Näherung die Grösse M,1 <B><I>=</I></B><I> K<B>-</B></I> (p <B><I>+</I></B><I> R</I> hat.
Die Konstante K ist vom Torsionsfaden ab hängig und wird durch dessen Material, Querschnitt, Länge, Zugspannung usw. bestimmt, während das Glied R ein hystereseartig wirkendes Reibungsdreh moment bedeutet, welches aus der inneren Reibung des Torsionsfadens resultiert und welches meistens vernachlässigt werden kann.
Derartig aufgehängte Achsen eignen sich z. B für elektromagnetische Messgeräte oder für Geräte, welche Drehmomente in Drehwinkel umwandeln.
Stellt sich jedoch die Aufgabe, an einem beweg lichen Gehäuse oder Tragglied ein Pendel so aufzu hängen, dass dieses bei einer Bewegung des Ge häuses oder Traggliedes mit möglichst geringen<B>Ab-</B> weichungen in der Schwingungsebene stets lotrecht steht, sind solchermassen aufgehängte Achsen nicht zu verwenden, weil aus einer Winkeländerung der Drehachse stets ein Drehmoment resultiert, welches in diesem Falle das Pendel aus seiner vertikalen Lage hebt. Dieser Mangel wird durch die vorliegende Erfindung behoben.
Gegenstand der Erfindung ist eine magnetisch, praktisch reibungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche Systemachse, welche dadurch gekenn zeichnet ist, dass die aus magnetisch hochdurchlässi gem Material bestehendem, mindestens angenähert hori zontal gerichtete Achse auf beiden Seiten zu ihrer Längsachse koaxiale, verjüngte Enden besitzt und in einem durch einen Magneten mit gegeneinander- gerichteten, verjüngten Polschuhen erzeugten, inhomo- genen Magnetfeld schwebend gehalten ist.
Praktisch wird hierbei das eine verjüngte Ende der Achse in Punktberührung mit dem ihm zugeord neten verjüngten Polschuh des Magneten stehen, während das andere verjüngte Ende der Achse in möglichst kleinem Abstand von dem ihm zugeord neten Polschuh des Magneten liegt.
Eine solchermassen magnetisch, praktisch rei bungslos gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längs achse in indifferentern Gleichgewicht befindliche Systemachse eignet sich für viele Präzisionsinstra- mente und ist z. B. als Pendelachse verwendbar.
Das für die Drehung einer solchen Systemachse erforderliche Drehmoment beträgt in erster Näherung Md <B><I>=</I></B><I> R,</I> wobei R ein praktisch konstanter, sehr kleiner Wert ist, welcher von der Gestaltgebung und der Material beschaffenheit der das Achssystern bildenden Teile und der Grösse des Spieles zwischen dem freien Achsende und dem diesem zugeordneten Polschuh abhängig ist.
In der Zeichnung sind eine beispielsweise Aus führungsform des Erfindungsgegenstandes und eine Ausführungsvariante desselben schematisch darge stellt und an Hand weiterer Figuren das Bewegungs- und Kräftespiel veranschaulicht.
Fig. <B>1</B> ist eine Ansicht einer magnetisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befind lichen Systernachse.
Fig. 2 zeigt in grösserem Massstab und bei etwas veränderten Abmessungen das Bewegungs- und Kräfte spiel einer solchen Systernachse, wenn die störende Wirkung ihres Gewichtes nicht aufgehoben ist.
Fig. <B>3</B> zeigt die Lage der Systemachse nach Fig. 2, wenn die störende Wirkung ihres Gewichtes auf- orehoben ist, bei Annahme vollständiger Reibungs- C losigkeit. Fig. 4 zeigt das Bewegungs- und Kräftespiel dieser Systemachse bei Berücksichtigung der Reibung zwi- sehen dem einen verjüngten Ende der Systemachse und dem von diesem berührten Polschuh des Ma gneten.
Fig. <B>5</B> zeigt eine Ausführungsvariante der magne tisch, praktisch reibungslos gelagerten, bezüglich Dre- huno, um ihre Längsachse in indifferentem Gleich- or <B>W</B> ,le icht befindlichen Systemachse mit Andeutung des bezüglichen Bewegungs- und Kräftespieles.
In Fig. <B>1</B> ist mit<B>1</B> ein in einem nicht dargestellten Gehäuse oder Träger fest gelagerter Hufeisenmagnet bezeichnet, welcher zwei koaxiale Polschuhe 2 und<B>3</B> mit gegeneinandergerichteten, verjüngten Enden be sitzt. Zwischen den verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> ist eine rotationssymmetrische Achse 4 aus magnetisch hochdurchlässigem Material schwebend gehalten, welche Achse 4 verjüngte Enden<B>5</B> und<B>6</B> besitzt. Das eine verjüngte Ende der Achse 4, im dargestellten Fall das Ende<B>5,</B> berührt das ihm zu geordnete verjüngte Ende des Polschuhes 2, während ihr anderes verjüngtes Ende<B>6</B> durch einen möglichst kleinen Zwischenraum s vom Polschuh<B>3</B> getrennt ist.
Durch die radial inhomogenen Magnetkräfte in den senkrecht zur Verbindungsgeraden der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> stehenden Schnitt ebenen durch die Polschuhe 2 und<B>3</B> und die senk recht nach unten wirkende Gewichtskomponente <B>G</B> der Achse 4 werden die verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> der Achse 4 gegenüber der Verbindungsgeraden der verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> in eine praktisch stabile Gleichgewichtslage gebracht, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Da nach Fig. 2 der Be rührungspunkt<B>7</B> der Achse 4 nicht auf ihrer Längs achse<B>5-6</B> liegt, erhält man für den Fall, wo die Haft reibung im Berührungspunkt<B>7</B> nicht überschritten wird, ein stabilisierendes Moment der Grösse
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wobei (p der Drehwinkel der Achse 4 ist. Wird jedoch die Haftreibung im Berührungspunkt<B>7</B> überschritten, so tritt eine Nullpunktverschiebung dieses stabilisie renden Momentes Mt,b auf, welche sich scheinbar als hystereseartiger Störfaktor bemerkbar macht. Um diese Störung ausschalten zu können, muss der Radius <I>r.</I> auf Null gebracht werden. Dies gelingt dann, wenn z.
B. das Gewicht<B>G</B> der Achse 4 aufgehoben wird. Zu diesem Zwecke kann der Magnet<B>1,</B> wie in Fig. <B>1</B> dargestellt, z. B. mit zwei Streupolen<B>8</B> und<B>9</B> aus gerüstet sein, welche so dimensioniert und angeord net sind, dass die Summe der von ihnen auf die Achse 4 ausgeübten Kräfte B, und Bg dem Gewicht <B><I>G</I></B> der Achse entspricht. Die Achse 4 stellt sich in diesem Fall nach Fig. <B>3</B> ein, falls an der Berührungs stelle des verjüngten Endes<B>5</B> der Achse 4 am ver jüngten Ende des Polschuhes 2 keine Reibungskräfte wirken.
Wird jedoch auch die Reibung berücksichtigt, so ergibt sich nach Fig. 4, dass sich das am verjüngten Ende des Polschuhes 2 anliegende verjüngte Ende <B>5</B> der Achse 4 auf einem Kreis mit dem Radius<B>t%</B> im indifferenten Gleichgewicht aufhalten kann. Die ser Radius r3 ist abhängig von den Polmateri.ilien, von der Formgebuno, der Polschuhe und vom Rei- bungskaeffizienten zwischen den sich berührenden Flächen.
Störend an dieser unstabilen Lage ist jedoch nur der Radius rj, welcher ausser vom Radius r. noch vom Radius r. abhängig ist, nach ri = t.- (a + fl) <B>- r,</B> Dieser Radius ri wird erfahrungsgemäss so klein, dass er für die meisten Anforderungen nicht berücksich tigt zu werden braucht.
Soll jedoch das Achssystem noch höheren Anfor derungen zu genügen vermögen, so kann die Achse 4 vor jeder Inbetriebnahme durch eine besondere Vor richtung zentriert werden. Zu diesem Zwecke sind, wie aus Fig. <B>1</B> ersichtlich ist, auf zwei im Gehäuse oder Träger fest angeordneten Achsen<B>10</B> und<B>11</B> zwei Winkelhebel 12 und<B>13</B> gelagert, deren eine Schenkel<B>je</B> eine Bohrung zur Aufnahme<B>je</B> eines der verjüngten Enden<B>5</B> bzw. <B>6</B> der Achse 4 besitzen. In Ruhestellung, wenn die Achse 4 nicht durch die Winkelhebel 12 und<B>13</B> gehalten und zentriert ist, liegen die anderen Schenkel dieser Winkelhebel 12 und<B>13</B> an<B>je</B> einem Anschlag 14 bzw. <B>15</B> an.
Durch Zug Z auf die Enden der an den Anschlägen 14 bzw. <B>15</B> anliegenden Schenkel der Winkelhebel 12 und<B>13</B> kommen die Bohrungen in den anderen Schenkeln der Winkelhebel 12 und<B>13</B> auf die verjüngten Enden <B>5</B> bzw. <B>6</B> der Achse 4 zu liegen, welch letztere dadurch zentriert wird. Damit die Verschwenkungswege der beiden Winkelhebel 12 und<B>13</B> unter Kontrolle ge halten werden können, sind noch zwei weitere, ein stellbare Anschläge<B>16</B> und<B>17</B> vorgesehen.
Eine weitere Möglichkeit, den störenden Radius 1*1 kleiner zu machen, ist in Fig. <B>5</B> dargestellt. Hier bei sind auf die verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> Kappen<B>18</B> aus magnetisch möglichst wenig isolierendem Material grosser Härte, z. B. künst lichem Saphir, mit plangeschliffenen, polierten End- flächen <B>19</B> aufgekittet. Die Dicke<B>d</B> dieser Kappen <B>18</B> an den Spitzen der verjüngten Enden der Pol schuhe 2 und<B>3</B> ist möglichst klein gehalten, damit die maximale Feldstärke nicht zu stark beeinträch tigt wird.
Der Radius r, ist wieder durch den Winkel und den Radius r. bedingt, nach <I>r,</I><B>=</B> r., <B>-</B> tg a.
Durch Reduktion des Spieles s zwischen dem ver <B>'</B> jüng- ten Ende der Achse 4 und dem verjüngten Ende des Polschuhes<B>3</B> bzw. der dieses überdeckenden Kappe <B>18</B> kann aber der Winkel a sehr klein gehalten wer den. Ferner bewirkt die radiale Zunahme der Dicke der Kappen<B>18,</B> dass die Feldstärke nach aussen rascher abfällt, das heisst, dass das magnetische Feld besser zentriert ist, als wenn keine solchen Kappen <B>18</B> vorgesehen sind.
Wird auf die Richtungsstabilität der Systemachse kein grosser Wert gelegt, so kann der Radius r, auch dadurch verkleinert werden, dass die Kuppen der Pol- sch#uhe 2 und<B>3</B> im Bereich des Radius <I>r<B>=</B> r2</I> tg fl (Fig. 4.) einen genügend grossen Radius r.', im Ex tremfall cc, erhalten.
Zweckmässigerweise wird man diesen Radius r ein wenig grösser machen als <I>r2<B>-</B></I> tg fl- Wird die beschriebene Systemachse für transpor table Instrumente oder Geräte verwendet, so werden die verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> der Achse 4 zweck mässig mit Spitzen<B>5'</B> bzw. <B>6'</B> aus besonders hartem Material, das aber den Magnetfluss nicht oder nur in ganz geringem Masse beeinflusst, bestückt, damit diese verjüngten Enden<B>5</B> und<B>6</B> durch beim Transport auftretende Stösse oder Schläge nicht zerstört werden.
Wolframkarbid hat sich als geeignetes Material für diese Spitzen<B>5'</B> und<B>6'</B> erwiesen. Gegebenenfalls kön nen auch die verjüngten Enden der Polschuhe 2 und<B>3</B> mit derartigen Spitzen T und<B>3'</B> versehen wer den.
Die beschriebene, magnetisch, praktisch reibungs los gelagerte, bezüglich Drehung um ihre Längsachse in indifferentem Gleichgewicht befindliche System achse kann aus naheliegenden Gründen nur in hori zontaler oder angenähert horizontaler Lage verwen det werden.