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Magnetisch entlastetes Unterlager für den Läufer eines Elektrizitätszählers
od. dgl.
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Es sind magnetisch entlastete Unterlager für den Läufer eines Elektrizitätszählers
und andere umlaufende Körper mit stehend angeordneter Achse bekannt, wobei die magnetische
Entlastungsvorrichtung aus zwei am Unterlager angeordneten, sich gegenseitig abstoßenden
Dauermagneten besteht, von denen der eine feststehend angeordnet und der andere
oberhalb des ersteren an der Läuferachse befestigt ist. Es ist auch schon bekannt,
bei Unterlagern der vorgenannten Art das Kräftespiel zwischen den beiden Dauermagneten
vor Störungen durch magnetische Fremdfelder abzuschirmen. Es ist ein Unterlager
bekannt (USA.-Patentschrift 2254698), bei dem die beiden Dauermagnete ringscheibenförmig
ausgebildet und von einem weichmagnetischen Hüllkörper umgeben sind; der Hüllkörper
ist hohlzylindrisch ausgebildet, er erstreckt sich mit beiden Enden bis über die
gesamte axiale Baulänge der beiden übereinander befindlichen Dauermagnete hinaus,
und er weist von beiden Dauermagneten einen geringen Abstand auf.
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Auch die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisch entlastetes Unterlager
für den Läufer eines Elektrizitätszählers od. dgl mit zwei am Unterlager angeordneten,
sich gegenseitig abstoßenden Dauermagneten, die von einem in geringem Abstand von
denselben angeordneten weichmagnetischen Hüllkörper umgeben sind. Erfindungsgemäß
ist aber ein solches Unterlager dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Dauermagnete
für sich in einer ihn seitlich mit Abstand umgebenden, mit ihrer Öffnung dem aktiven
Luftspalt zwischen den Magneten zugewandten, weichmagnetischen, topfförmigen Hüllkappe
angeordnet ist, mit deren Boden er mit seinem dem aktiven Luftspalt abgewandten
Polende magnetisch leitend verbunden ist. Auch beim Erfindungsgegenstand bieten
die beiden weichmagnetischen Hüllkappen einen wirksamen Schutz gegen Störungen durch
Fremdfelder; der wesentliche Vorteil ist aber ganz anderer Art, er beruht in einer
erheblichen Vergrößerung der im aktiven Luftspalt der beiden Magnete wirksamen Magnetkräfte.
Durch die Hüllkappen wird der magnetische Streufluß, der aus den dem aktiven Luftspalt
der Magnete abgewandten Polstirnflächen jedes Magneten heraustritt, aufgefangen
und über die Seitenwand der Hüllkappe bis zum Kappenrand hin gelenkt, also bis zum
aktiven Luftspalt der Magnete hin. Hierdurch ist die dem aktiven Luftspalt zugewandte
Polstirnfläche eines jeden Dauermagneten wirkungsmäßig unmittelbar von einer Polstirnfiäche
der entgegengesetzten Polarität umgeben, so daß sich zwischen diesen beiden
zueinander
konzentrischen Polflächen ein hochwirksames magnetisches Kraftfeld bildet. Die Hüllkappen
dienen dabei als magnetischer Rückschlußweg, der den zur Verfügung stehenden Kraftfluß
in erhöhtem Maße in dem aktiven Luftspalt nutzbar macht und dadurch die Abstoßungskraft
der Magnetvorrichtung und somit die Entlastung des Läufers wesentlich verstärkt.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Hüllkappen ist, daß sie den
Einfluß von Raumtemperaturschwankungen auf die abstoßende Wirkung der Dauermagnete
und somit auf die Höhenlage des Läufers erheblich verringern. Wenn die die Magnete
umgebende Raumtemperatur ansteigt, so nimmt die Magnetisierung von Ferriten u. dgl.
ab. Hierdurch läßt die Abstoßungskraft der Magnete nach, und der in der Schwebe
gehaltene Läufer sinkt ein wenig nach unten. Sind aber die Dauermagnete von den
genannten Hüllkappen umgeben und bestehen diese Hüllkappen aus einem weichmagnetischen
Werkstoff, also einem Werkstoff, dessen magnetische Permeabilität mit der Temperatur
ansteigt, so wird, wie festgestellt wurde, das durch Raumtemperaturschwankungen
im Bereich zwischen -40 und +500 C bedingte Ausmaß der temperaturabhängigen Axialverschiebung
des schwebenden Läufers um 60t/o verkleinert. Wenn die Raumtemperatur von einem
bestimmten Ausgangswert abweicht, so ändert sich zwar hiermit die Lage des Läufers
ein wenig; wenn aber die Temperatur dann auf ihren Ausgangswert zurückkehrt,
so
nimmt auch der Läufer wieder genau seine Ausgangslage ein.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
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F i g. 1 zeigt einen Läufer eines Elektrizitätszählers mit einem
Unterlager nach der Erfindung; F i g. 2 zeigt den magnetischen Kraftfluß einer Magnetvorrichtung
eines bekannten Unterlagers; F i g. 3 zeigt den magnetischen Kraftfluß der Magnetvorrichtung
des Unterlagers nach Fig. 1; Fig.4 zeigt eine Entmagnetisierungskurve eines Ferrit-Permanentmagneten;
F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform mit zusätzlicher Dämpfungsscheibe.
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Der Läufer in Fig. 1 besteht aus der Läuferachse 1 und der zum Teil
abgebrochen gezeichneten Läuferscheibe 2. Gelagert ist die Läuferachse in einem
Oberlager3 und in einem Unterlager 4. Das Oberlager steckt höhenverstellbar in einem
feststehenden Träger 5 und ist in seiner Höhenstellung mittels der Stellschraube
6 festklemmbar. Das Unterlager steckt höhenverstellbar in einem feststehenden Träger
7 und ist mittels der Stellschraube 8 festklemmbar. Auf der Läuferscheibe 2 sitzt
ein Sperrzahnkranz 9 eines nicht näher dargestellten Sperrgetriebes gegen Rückwärtsdrehung
des Läufers, und ein Schneckengewinde 10 auf der Läuferachse steht mit einem Abtriebszahnrad
11 im Eingriff, das die Läuferbewegung zu einem nicht mitgezeichneten Zählwerk hin
überträgt. Die Teile 9 bis 11 gehören jedoch nicht zum Erfindungsgegenstand und
sind im wesentlichen an sich bekannt.
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Die an sich bekannte Ausbildung des Oberlagers 3 ist aus der Zeichnung
klar genug zu erkennen, um sie hier nicht näher erläutern zu müssen.
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Das Unterlager 4 ist ein an sich bekanntes Nadelführungslager, es
besteht im wesentlichen aus einer feststehenden Lagernadel 12, die mit ihrem unteren
Ende in der Lagerhülsel3 befestigt ist, und einem am unteren Läuferachsenende angebrachten
Lagerring 14.
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Die zur Entlastung des Läufers dienende Magnetvorrichtung besteht
aus den beiden ringscheibenförmigen Dauermagneten 15 und 16, die konzentrisch zur
Läuferachse angeordnet sind und untereinander gleiche Form und Größe haben. Die
beiden Magnete 15 und 16 sind in achsparalleler Richtung magnetisiert, derart, daß
sie sich am aktiven Luftspalt zwischen ihnen mit gleichmäßigen Polen gegenüberstehen
und sich gegenseitig abstoßen; im dargestellten Falle stehen sie sich am aktiven
Luftspalt mit ihren Nordpolen N gegenüber, so daß sich ihre Südpole S an den dem
aktiven Luftspalt abgewandten Stirnseiten der beiden Magnete befinden. Der Magnet
15 ist über die noch näher zu beschreibenden Teile 17 und 18 feststehend in der
Lagerhülse 13 gelagert, der Ma-Magnet 16 ist über die noch näher zu beschreibenden
Teile 19 und 20 am unteren Ende der Läuferachse 1 befestigt.
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Die beiden Dauermagnete 15 und 16 bestehen in an sich bekannter Weise
aus einem Werkstoff von hoher Koerzitivkraft, beispielsweise aus einem keramischen
Dauermagnetwerkstoff, wie z. B. Ferrit. Bewährt hat sich ein Werkstoff nach der
Formel MO 6 Fe2q,,, wobei M einen Werkstoff wie beispielsweise Barium, Blei oder
Strontium, Fe Eisen
und 0 Sauerstoff bedeutet. Bariumhaltige Werkstoffe sind besonders
vorteilhaft, beispielsweise nach der Formel BaO-6Fe2Os. Ein solcher Werkstoff kann
eine Koerzitivkraft von über 1000 Oersted, vorzugsweise von über 1200 Oersted haben;
ein Werkstoff mit einer Koerzitivkraft in der Größenordnung von 1600 Oersted erbrachte
gute Ergebnisse und zeigte eine ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit. Bei einem nach
der Erfindung gebauten Unterlager, das sich bewährt hat, weisen die beiden aus Bariumferrit
hergestellten Dauermagnete eine Ringform gleicher Größe, einen Außendurchmesser
von etwa 6,85 mm, einen Innendurchmesser von etwa 3,55 mm und eine axiale Länge
von etwa 3,56 mm auf bei einem Gewicht jedes Magneten von nur 0,40 g.
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Die beiden Teile 18 und 20 bilden die tassen- bzw. topfförmigen Hüllkappen,
die nach der Erfindung die beiden Magnete 15 und 16 in einem geringen Abstand umgeben;
der Abstand ist durch die Dicke der zwischen Magnet und Hüllkappe eingefügten unmagnetischen
Zwischenlagen 17 und 19 gegeben. Die Hüllkappen sind mit ihren Kappenöffnungen einander
zugewandt, ihre Achsen liegen in der gleichen Linie miteinander und koaxial zur
Läuferachse, und ihre Kappenränder enden beim dargestellten Ausführungsbeispiel
bündig mit den dem aktiven Luftspalt zugewandten Stirnseiten der beiden Dauermagnete.
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Die Hüllkappen 18 und20 bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff,
z. B. aus schwach kohlehaltigem oder kaltgewalztem StahI. Die Wandstärke der Hüllkappen
richtet sich nach der Stärke des von den Kappen zu leitenden Magnetkraftflusses;
bei einem ausgeführten Unterlager nach der Erfindung hat sich beispielsweise eine
Wandstärke von etwa 0,6 mm bei einem Innendurchmesser von etwa 8,1 mm bewährt.
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Die Zwischenlagen 17 und 19 können vorteilhaft aus einem Lot bestehen,
so daß sie in den Zwischenraum zwischen Magnet und Hüllkappe eingegossen werden
können. Es sind viele Lote bekannt, deren Schmelztemperatur niedrig genug ist, um
die Magnete beim Eingießen des Lotes nicht durch Überhitzung zu beeinträchtigen.
Bewährt hat sich beispielsweise eine Lotmischung aus 80% Blei, Blei, 5<>/o
Zinn und 15410 Antimon; der Schmelzpunkt dieser Mischung liegt bei einer Temperatur
von etwa 2750 C, die für Dauermagnete noch unschädlich ist.
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Die Hüllkappe 18 weist an ihrem Boden einen konischen Fuß 21 mit
einem zylindrischen Fortsatz 22 auf und ist mit diesen Teilen in der Lagerhülse
13 zuverlässig zentriert und fest eingepreßt. Der Fortsatz 22 kann zur Erhöhung
seiner Preßsitzkraft eine Rändelung aufweisen. Die Hüllkappe 20 weist an ihrem Boden
einen Rohrstutzen 23 auf, mit dem sie auf das untere Ende der Läuferachse 1 aufgepreßt
ist. Der Rohrstutzen 23 und ein angrenzendes Teilstück der Läuferachse 1 sind noch
mit einer Verbindungshülse 24 umhüllt, wodurch die Verbindung der Hüllkappe 18 mit
der Läuferachse noch fester wird.
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Rillen und Vorsprünge der Berührungsfläche der Verbindungshülse 24
mit dem Rohrstutzen 23 und der Läuferachse erhöhen die Haltekraft noch weiter.
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Die Verbindungshülse 24 kann vorteilhaft aus einem schmelzbaren Stoff
z. B. auf Bleibasis bestehen.
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Die Lagerhülse 13 weist nach oben hin noch einen rohrförmigen Fortsatz
25 auf, der nicht nur die Hüllkappe 18 umgibt, sondern auch noch einen beträchtlichen
Teil der Hüllkappe 20. Er dient als Stoß- und Berührungsschutz aller von ihm umschlossenen
Teile,
besteht aus einem nichtmagnetischen Werkstoff und kann daher
zur Erzielung eines besonders wirksamen Schutzes äußerst nahe an die Hüllkappen
bzw. an den aktiven Luftspalt herangedrückt sein.
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Aber auch die Hüllkappen 18 und 20 tragen bereits zum mechanischen
Schutz der von ihnen umschlossenen Dauermagnete bei.
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Die günstigen Flußverhältnisse, die sich durch die Verwendung der
weichmagnetischen Hüllkappen ergeben, seien an Hand von F i g. 2 bis 4 noch näher
erläutert. In F i g. 2 sind zwei Dauermagnete gezeigt, wie sie bisher ohne Hüllkappe
bei Zählern verwendet wurden. Die beiden Magnete sind so magnetisiert, daß sich
die eingezeichneten Nordpole N und die eingezeichneten Südpole S ergeben. Die Magnetfelder
F dieser beiden Magnete weisen eine große Streuung auf.
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In F i g. 3 ist zum Vergleich das Magnetfeld der in F i g. 1 vorgesehenen
Dauermagnete gezeigt. Wie ersichtlich, ist hier der Streufluß der Magnetfelder ganz
erheblich zusammengeschrumpft, das Feld beschränkt sich praktisch auf den aktiven
Luftspalt zwischen den beiden Hüllkappen. Man erhält eine flache magnetische Feldverteilung,
die eine nur geringe radiale Verschiebung des Läufers aus seiner Normallage zuläßt.
Das radiale Spiel des Läufers ist auf die Axialwirkung der Magnete weitgehend unabhängig.
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In Fig.4 ist eine Entmagnetisierungskurve A eines Ferrit-Permanentmagneten
wiedergegeben, beispielsweise des Magneten 15 in F i g. 1 in der Ausführung in Ferrit,
in üblicher Weise mit der gewöhnlich in Gauß aufgetragenen Induktion als Ordinate
und der gewöhnlich in Oersted aufgetragenen Entmagnetisierungskraft H als Abszisse.
Der Ferritmagnet 15, allein für sich betrachtet, hat auf der KurveA einen Arbeitspunkt,
der sich durch einen Schnitt der Linie C mit der Magnetisierungskurve A ergibt.
Ist aber der Ferritmagnet 15 von der Hüllkappe 18 umgeben, so ergibt sich der Arbeitspunkt
durch den Schnitt der Linie mit der Entmagnetisierungskurve A. Wenn schließlich
der Magnet 15 und seine Hüllkappe 18 in der in F i g. 1 dargestellten Gesamtanordnung
untersucht werden, so ergibt sich der Arbeitspunkt durch den Schnitt der Linie E
mit der Entmagnetisierungskurve A.
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Da die beiden Hüllkappen aus einem leicht bearbeitbarem Material
bestehen, können sie mit höchster Genauigkeit von Hand oder auch maschinell auf
gleichen Außendurchmesser miteinander gebracht werden. Hiermit können die in radialer
Richtung wirksamen Kräfte zwischen dem Läufersystem und dem Statorsystem der Magnetvorrichtung
bzw. des Zählers auf ein Minimum herabgesetzt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Hüllkappen ist es, daß sie die Verwendung
von Permanentmagneten (15 und 16) ermöglichen, die mit Unvollkommenheiten, wie etwa
Spanrauhigkeiten, behaftet sind. Bei Verwendung von sprödem Permanentmagnetmaterial,
wie z. B. keramischem Material, ist es erwünscht, solche Mängel eines Permanentmagnetmaterials
in Kauf nehmen zu können; die Hüllkappen geben diese Möglichkeit, denn sie machen
etwa vorhandene Unvollkommenheiten des Magnetmaterials praktisch wirkungslos.
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Die Hüllkappen gewähren auch eine wesentliche Abschirmung derPermanentmagnete,
nicht nur gegen über den schon erwähnten Fremdfeldern, sondern sie
verringern auch
eine mögliche gegenseitige Beeinflussung zwischen den Magnetfeldern der Dauermagnete
und den Triebmagneten des Zählers.
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Der Innendurchmesser des Magneten 15 in F i g. 1 kann wesentlich
verkleinert und hiermit die Wirksamkeit erhöht werden, ohne daß dadurch der Außendurchmesser
vergrößert zu werden braucht, und ohne daß das Gewicht der Läufereinheit vergrößert
wird. Dies ist noch in Fig.5 gezeigt, wo der Innendurchmesser des Magneten 15 a
gerade groß genug ist, um eine Umlauffreiheit der Ladernadel 12 zu gewährleisten.
Beispielsweise kann der Innendurchmesser etwa 1,6 mm betragen.
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Wenn es erwünscht ist, zusätzlich noch besondere Mittel vorzusehen,
um ein radiales Pendeln der Läufereinheit zu dämpfen, so kann, wie es in F i g.
5 gezeigt ist, an der Lagernadel 12 noch eine Dämpfungsscheibe 25 aus elektrisch
leitendem Werkstoff, z. B. aus Kupfer, angebracht werden. Die übrigen Teile in F
i g. 5 sind ähnlich den entsprechenden Teilen in F i g. 1, mit der Ausnahme, daß
der Abstand zwischen den Hüllkappen 18 und 20 etwas größer ist, um Platz für die
Dämpfungsscheibe 25 zu schaffen, und daß der Magnet 15 a, wie erwähnt, einen kleineren
Innendurchmesser aufweist. Die Wirkung der Scheibe 25 ergibt sich wie folgt: Eine
radiale Verschiebung des Läufers trachtet die Lagernadel 12 und die daran befestigte
Dämpfungsscheibe 25 in radialer Richtung zu bewegen. Eine solche Bewegung hat zur
Folge, daß die Dämpfungsscheibe 25 den vom Magnet 15a erzeugten Magnet fluß schneidet.
Hierdurch werden Wirbelströme in der Scheibe 25 und hiermit Kräfte erzeugt, die
der Bewegung entgegengerichtet sind und die Läuferverschiebung, die die Bewegung
hervorruft, dämpfen.