CH652501A5 - Waage mit elektromagnetischer kraftkompensation. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems befindet und die Kompensationskraft erzeugt.

Waagen dieser Art sind bekannt und in ihrer üblichen Ausführungsform beispielsweise in der US-PS 4 062 416 beschrieben. Dabei ist das Permanentmagnetsystem zylinderförmig ausgebildet und erzeugt ein waagerecht verlaufendes, ra-dial-symmetrisches Magnetfeld, in das eine Spule mit senkrechter Achse eintaucht, so dass sich eine senkrechte Kompensationskraft ergibt, die direkt die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes kompensiert. Auch bei Waagen mit Hebelübersetzung (z.B. DE-OS 28 53 074) ist üblicherweise das Permanentmagnetsystem zylinderförmig und erzeugt eine senkrechte Kompensationskraft.

Die Zylinderform ergibt für das Permanentmagnetsystem aber eine relativ grosse Bauhöhe, die durch die Höhe des magnetisch aktiven Materials und die Dicke der Polplatten auf beiden Seiten gegeben ist. Diese Bauhöhe bestimmt die Mindesthöhe der Waage. Diese Höhe ist besonders bei direkt kompensierenden Waagen mit einer Lenker-Parallelführung kritisch, da die Lenker oberhalb und unterhalb des Permanentmagnetsystems zusätzlich untergebracht werden müssen. Daneben ist die Zylinderform fertigungstechnisch ungünstig für Materiahen - wie die magnetisch aktiven Materiahen -, die sich nicht spanabhebend bearbeiten lassen.

Weiter ist es aus der US-Patentschrift 3 322 222 bekannt, eine näherungsweise rechteckige Spule mit waagerechter s Achse zu benutzen. Dabei befindet sich die obere und untere Seite der Spule im waagerecht verlaufenden magnetischen Feld zweier C-förmiger Permanentmagnete, so dass direkt eine senkrechte Kompensationskraft erzeugt wird. Auch in diesem Fall ergibt sich eine verhältnismässig grosse Bauhöhe, io Ausserdem ist die Herstellung C-förmiger Permanentmagnete aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation so weiterzubilden, dass das Permanentmagnetsystem besonders 15 flach ausgebildet werden kann. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Form für das Permanentmagnetsystem anzugeben, die preiswert hergestellt werden kann. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Permanentmagnetsystem anzugeben, das einen verringerten oder keinen Temperaturkoeffi-2o zienten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,

dass die Spule näherungsweise eine rechteckige Form hat,

dass das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten magnetisch aktiven Materials mit senkrechter Magnetisie-2s rungsrichtung oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrückschluss besteht, wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und dass zwischen Spule und Waagschale Mittel zur Kraftumlenkung vorgesehen sind.

30 Durch den Aufbau des Permanentmagnetsystems aus rechteckigen Platten magnetisch aktiven Materials können diese Teile durch einfaches Sägen preiswert und ohne Verschnitt (Abfall) hergestellt werden. Dies ist deshalb besonders 35 wichtig, da diese Materiahen (z.B. Kobalt-Samarium-Legie-rungen) teuer sind und sich schlecht bearbeiten lassen. Die näherungsweise ebenfalls rechteckige Form der Spule ergibt eine optimale Ausnutzung des magnetischen Feldes zur Kompensationskrafterzeugung.

40 Durch die Aufteilung des magnetisch aktiven Materials auf zwei, den beiden längeren Seiten der rechteckigen Spule zugeordneten Platten wird die durch das magnetisch aktive Magnetmaterial verursachte Bauhöhe gegenüber einem herkömmlichen Zylindermagneten auf die Hälfte reduziert. Da-4S bei spielt es keine Rolle, ob sich die beiden Platten jeweils oberhalb oder unterhalb der Spule befinden, oder ob die beiden Platten nochmals aufgeteilt sind, so dass ingesamt vier Platten oberhalb und unterhalb der längeren Seiten der rechteckigen Spule vorhanden sind.

Wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Weicheisenrückschluss des Permanentmagnetsystems ebenfalls aus rechteckigen Platten in Form eines vorne und hinten offenen Kastens hergestellt, so lassen sich auch diese Platten einfach und preiswert durch Sägen herstellen.

Zweckmässigerweise wird die Spule möglichst flach ausgebildet, d.h. mit möglichst geringer Wickelbreite bei grösser Wickelhöhe. So kann bei gleicher Windungszahl und gleichem Drahtquerschnitt der Luftspalt für die Spule am kleinsten gehalten werden, so dass auch die gesamte Bauhöhe des 60 Permanentmagnetsystems am geringsten bleibt.

Um die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes durch die waagerechte elektromagnetisch erzeugte Kompensationskraft zu kompensieren ist eine Kraftumlenkung notwendig. Diese Kraftumlenkung wird vorteilhafterweise so ausgebil-65 det, dass sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirkt, so dass bereits eine kleine elektromagnetisch erzeugte Kompensationskraft einer grossen Gewichtskraft das Gleichgewicht halten kann. Dadurch kann der elektrische Strom in der

50

55

B ■ I • sin tp • dl = BT-2-n-R- j* sin tp-d q> = B-I-4-n-R

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Spule und das magnetische Feld des Permanentmagnetsy- gegutes das Gleichgewicht. Die Einzelheiten der zugehörigen stems entsprechend klein gehalten werden. In einer zweck- Elektronik mit Langensensor und Regelverstärker sind von massigen Ausgestaltung wird die Kraftumlenkung durch ei- den bekannten Waagen mit elektromagnetischer Kraftkom-nen Winkelhebel erreicht. pensation her geläufig, so dass auf eine Beschreibung hier verSoll eine leichte Justierbarkeit der Stärke des magneti- 5 ziehtet werden kann sehen Feldes möglich sein, so ist es vorteilhaft, die eine Platte Die Spule 11 ist so gewickelt, dass nur wenige Windungen des Weicheisenrückschlusses durch Justierschrauben zu hai- nebeneinander liegen, aber viele Lagen übereinander. Daten und so durch geringe Änderung des Luftspaltes die Feld- durch kann der Abstand zwischen den magnetisch aktiven stärke auf den gewünschten Wert bringen zu können. Dabei Platten 12 und 13 bzw. 14 und 15 des Permanentmagnetsy-ist es ebenfalls möglich, durch zweckmässige Wahl der freien xo stems gering gehalten werden, was einmal einer geringen Bau-Länge der Schrauben und deren Material die Temperaturab- höhe des Systems zugute kommt, und zum anderen der ma-hängigkeit der Remanenz des magnetisch aktiven Materials gnetischen Forderung nach einem schmalen Luftspalt mit wenigstens näherungsweise durch die durch den abweichen- grossen Querschnitt entspricht.

den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schraubenmate- qje etwa rechteckförmige Spule ist zwar in ihrer Herstel-

rials gegebene temperaturabhängige Änderung der Luftspalt- 15 hing aufwendiger als eine runde Spule, sie ergibt jedoch bei breite zu kompensieren. gleicher Krafterzeugung eine Einsparung an Magnet-und

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung Spulenmaterial und an elektrischer Leistung (Verlustwärme!),

beispielsweise beschrieben. Dabei zeigt: wje jm folgenden anhand der Figuren 4a und 4b erläutert wer-

Fig. 1 eine Seitenansicht der für die Erfindung wesent- ^en sojj.

liehen Teile der Waage im Schnitt, 20 Eine runde Spule 111 in Fig. 4a mit dem mittleren Radius

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Permanentma- R> einer wickelhöhe H und einer Windungszahl n in einem gnetsystems, wobei als Spule nur eine Wirkung symbolisch Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I eine Kraft F der dargestellt ist, Grösse:

Fig. 3 einen Schnitt durch eine spezielle Ausgestaltung des

Permanentmagnetsystems, und 25

Fig. 4a, 4b Spule und Permanentmagnet für eine runde p =

Spule (Fig. 4a) und eine näherungsweise rechteckige Spule

(Fig. 4b) im Vergleich. o

Die in Fig. 1 gezeigte Waage enthält ein Stützteil 1, das _. _ ... . .

fest mit dem - nicht gezeichneten - Gehäuse verbunden ist. 30 ®ie Gesamtlange L des Drahtes ist dabei:

An diesem Stützteil 1 sind zwei Lenker 4 und 5 befestigt, die _

in Form einer Parallelführung das Verbindungsteil 3 mit der ^ - 2-jt-R-n

Waagschale 2 senkrecht beweglich führen. Die Lenker 4 und ^ , .

5 sind entweder auf ihrer ganzen Länge elastisch oder besitzen u erforderliche Flache S der Magnete 112 ist je:

elastische Einschnürungen an den mit 6 gekennzeichneten 35 _

Stellen und sind auf ihrer restlichen Länge steif. Die vom Wä- ^—2-jc-R-H gegut auf die Waagschale 2 und das Verbindungsteil 3 über-

tragene Gewichtskraft wird über ein Koppelband 7 auf den . f.? rechteekige Spule 211 in Fig. 4b mit den mittleren kurzen Hebelarm eines Winkelhebels 8 übertragen. Der Win- Seitenlangen a und b, einer Wickelhohe H und einer Wrn-

kelhebel 8 ist durch ein Kreuzbandgelenk 9 am Stützteil 1 ge- 40 dungszahl n in einem Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I

lagert. Am langen Hebelarm des Winkelhebels 8 ist an einem eine der Grosse:

isolierten Ansatz 10 die Spule 11 befestigt. Sie ist - wie in Fig.

2 perspektivisch mit einer Windung angedeutet - rechteckför- - B-l-2-a-n mig mit abgerundeten Ecken und ohne Spulenkörper freitra- ... , , .

gend gewickelt. Sie befindet sich zwischen den Polen eines « Die Gesamtlange L des Drahtes ist dabei:

Permanentmagnetsystems, bestehend aus vier rechteckigen _

Platten 12 bis 15 des magnetisch aktiven Materials und zwei L- 2-(a+b)-n

Platten 16 und 17 aus Weicheisen als Rückschluss. Diebeiden , „ , „ . .

Platten 16 und 17 aus Weicheisen werden durch zwei seitliche u erforderliche Flache S der Magnete 212 ist je:

Stege 18 und 19 (Fig. 2) gehalten. Das ganze Permanentma- so gnetsystem 12 bis 19 ist ebenfalls am Stützteil 1 befestigt. Das magnetisch aktive Material ist in senkrechter Richtung ma- „ . , , ,. „ , gnetisiert, die Polung ist beispielsweise so, dass die beiden . . ^ j n1un längere Seite a der rechteckigen Spule Platten 12 und 13 jeweils den magnetischen Nordpol auf ihrer Sle*ch de™ Durchmesser der runden Spule, also a=2-R, und Unterseite haben, während die beiden Platten 14und 15den ss weiterb a/3, so ergibt ein Vergleich der Formeln, dass in magnetischen Nordpol auf ihrer Oberseite haben. Die magne- ^den FaHen die erzeugte Kraft F gleich ist, dass aber die er-tischen Feldlinien verlaufen in diesem Beispiel also von der fobiche Magnetflache bei der rechteckigen Spule nur den aktiven Platte 12 durch den in Fig. 1 linken Teil der Spule 11, Bruchteil 2/k=0,64 der erforderlichen Magnetflache bei der durch die aktive Platte 13, weiter durch die Weicheisenplatte runden Spille ausmacht und dass die Gesamtlange des Spu-17, durch die aktive Platte 15, dann durch den in Fig. 1 rech- « lendrahtes bei der rechteckigen Spule nur den Bruchteil ten Teil der Spule 11, dann durch die aktive Platte 14 und ^/(3u) = 0,85 der Gesamtlange des Spulendrahtes bei der Hindurch die Weicheisenplatte 16 zurück zur aktiven Platte 12. ^}en P erreicht. Der Matenalaufwand fur den aktiven Teil Die beiden längeren Seiten der rechteckigen Spule 11 werden des Magne en und fur die Kompensationsspule ist also bei ei-also von einem senkrechten magnetischen Feld durchsetzt, so "er rechteckigen Form der Spule geringer als bei einer runden dass ein Strom in der Spule 11 eine waagerechte Kraft er- 65 j Diegeringere Drahtlange bei der rechteckigen Spule zeugt. Diese waagerechte Kraft greift über den Ansatz 10 am fuhrt darüber hinaus zu einem geringeren elektrischen Wider-längeren Hebelarm des Winkelhebels 8 an und hält dort der stand, der Spule und so zu einer geringeren elektrischen Ver-am kürzeren Hebelarm angreifenden Gewichtskraft des Wä- lustleistung.

S=2aH

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Die Länge a der rechteckigen Spule kann einmal etwas grösser als die entsprechende Länge der Platte aus magntisch aktivem Material sein. Dann ist die für die Krafterzeugung wirksame Länge der Spule durch die Platte aus magnetisch aktivem Material gegeben, so dass Längenänderungen der Spule - beispielsweise aufgrund lastabhängiger elektrischer Erwärmung - und Einbautoleranzen in erster Näherung keinen Einfluss haben. Die Länge a der rechteckigen Spule kann zum anderen auch etwas geringer sein als die entsprechende Länge der Platte aus magnetisch aktivem Material. Dann bestimmt die Spule die für die Krafterzeugung wirksame Länge und eine temperaturbedingte Änderung der Spulenlänge führt bei gleichem Spulenstrom zu einer entsprechenden Kraftänderung. Dies kann z.B. bei Waagen mit höherer Auflösung zur Temperaturkompensation des Permanentmagnetsystems mit herangezogen werden. Die Remanenz des aktiven Materials und damit die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Permanentmagnetsystems nimmt mit wachsender Temperatur ab, die für die Krafterzeugung wirksame Spulenlänge nimmt aufgrund der Wärmeausdehnung mit wachsender Temperatur zu. Voraussetzung ist dabei natürlich, dass die in der Spule umgesetzte Verlustwärme lastunabhängig gemacht wird, was beispielsweise durch die in der DE-OS 30 02 462 angegebenen Mittel erreicht werden kann, so dass sich die

Temperatur der Spule nur mit der Umgebungstemperatur ändert.

Eine vollständige Temperaturkompensation lässt sich mit der Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems gemäss Fig.

5 3 erreichen:

Die beiden seitlichen Stege 18,19 stützen den oberen weichmagnetischen Rückschluss 16 nicht direkt, sondern sind weiter hochgezogen und tragen den weichmagnetischen Rückschluss 16 über Justierschrauben 20. Mit Hilfe dieser Ju-10 stierschrauben 20 wird einmal eine leichte Einstellbarkeit des Luftspaltes für die Spule 11 erreicht, zum anderen kann das Material der Justierschraube 20 so gewählt werden, dass die Schraubenlänge mit der Temperatur stärker zunimmt als die Länge des hochgezogenen Teils des weichmagnetischen 15 Rückschlusses 18,19, so dass der Luftspalt mit wachsender Temperatur etwas kleiner wird. Beispielsweise hat Aluminium einen grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Weicheisen. Bei richtiger Dimensionierung der freien Länge der Justierschrauben 20 kann diese temperaturabhän-20 gige Luftspaltbreite gerade die mit steigender Temperatur abnehmende Remanenz des aktiven Magnetmaterials ausgleichen.

Die übrigen Details dieses Permanentmagnetsystems und der zugehörigen Spule entsprechen denjenigen in Fig. 1 und 2

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

652 501 PATENTANSPRÜCHE

1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems befindet und die Kompensationskraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule

(11) näherungsweise eine rechteckige Form hat, dass das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten (12 bis 15) magnetisch aktiven Materials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrückschluss (16,17) besteht, wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und dass zwischen Spule und Waagschale Mittel zur Kraft-umlenkung (7 bis 10) vorgesehen sind.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Weicheisenrückschluss (16 bis 19) kastenförmig mit offener Vorder- und Rückseite ausgebildet ist.

3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (11) als Flachspule ausgebildet ist, wobei die Wickelbreite mindestens um den Faktor 2 geringer ist als die Wickelhöhe.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kraftumlenkung (7 bis 10) so ausgebildet sind, dass sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirken.

5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kraftumlenkung einen Winkelhebel (8) umfassen.

6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (16) des Weicheisenrückschlusses durch Justierschrauben (20) gehalten wird.

7. Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Länge der Justierschrauben (20) zusammen mit deren Material so gewählt ist, dass die durch den Wärmeausdeh-nungs-Koeffizienten gegebene temperaturabhängige Änderung der Luftspaltbreite die Temperaturabhängigkeit der Remanenz des magnetisch aktiven Materials wenigstens näherungsweise kompensiert.