DE1516221C - Einrichtung zur Ermittlung der magnetischen Eigenschaften, insbesondere der Elsenverluste, vornehmlich bandför migen ferromagnetischen Materials - Google Patents

Description

aufliegenden Polflächen Rollen trägt, die ebenfalls aus den Magnetfluß gut leitendem Material, das aber zugleich im Hinblick auf die Abnutzungsbeanspruchungen gewählt sein muß, bestehen. Diese Anordnung ermöglicht die Untersuchung bandförmigen ferromagnetischen Materials während des Herstellungsprozesses, da das Material durch die durch die Rollen definierte Meßstrecke ohne Abheben der Joche und damit ohne Änderung des das bandförmige Material durchsetzenden magnetischen Flusses untersucht werden kann. Bei dieser Einrichtung müssen unter Umständen Maßnahmen dagegen getroffen werden, daß beispielsweise Zunder in die kleinen Luftspalte zwischen Polflächen und Rollen eindringt, wodurch nicht nur rein mechanische Schwierigkeiten auftreten würden, sondern auch eine Änderung des magnetischen Widerstandes der Anordnung hervorgerufen werden könnte.

Aus der deutschen Patentschrift 635 349 ist ein Wechselstrommeßgerät zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften kleiner Proben bekannt. Bei diesem Gerät wird eine Blechprobe in eine offene Spule eingelegt, die im einzelnen aus einer Magnetisierungsspule mit größerem Durchmesser und einer konzentrisch dazu angeordneten engeren Induktionsspule besteht. Um eine weitgehende Gleichmäßigkeit der Magnetisierung zu erhalten, soll die Blechprotte eine lanzettförmige Gestalt aufweisen. Demgegenüber wird bei der Erfindung Wert darauf gelegt, keine für die Prüfung besonders hergerichteten Blechschnitte verwenden zu müssen.

Aus der schweizerischen Patentschrift 327 778 ist ein Gerät zur Fehlerbestimmung in langgestreckten magnetisierbaren Körpern bekannt. Der wesentliche Bestandteil dieses Geräts ist eine aus mehreren in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Teilspulen aufgebaute Magnetisierungsspule. Zum Erzielen eines homogenen Feldes im Prüfkörper, der durch die Spulenachse verläuft, ist ein äußerer Eisenrückschlußmantel vorgesehen, der die gesamte Spule einhüllt und sich an den Stirnseiten dem Prüfkörper nähert. Eine Meßspule, mit der die Inhomogenitäten, > die durch Fehlerstellen des Prüfkörpers hervorge- ⁾ rufen werden, gemessen werden sollen, ist aus Symmetriegründen in der Mitte der Spule angebracht. Sie ist gegenüber der gesamten Erregerspule verhältnismäßig schmal. Diesem Bekannten gegenüber soll mit Hilfe der Erfindung in einem Probenkörper ein möglichst homogenes Feld ohne einen äußeren Eisenrückschluß aufgebaut werden. Ein Teil der ■ Erregerspule soll dabei als Meßspule verwendet werden können.

Bei einer Einrichtung zur Ermittlung der magnetischen Eigenschaften, insbesondere der Eisenverluste, vornehmlich bandförmigen ferromagnetischen Materials unter Verwendung einer flachen, den Prüfling koaxial umgebenden, aus Teilspulen aufgebaute Magnetisierungsspulenanordnung ohne Eisenrückschluß werden die obengenannten Ziele dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung die Magnetisierungsspulenanordnung aus elektrisch parallelgeschalteten, mit ihren jeweils benachbarten Stirnflächen ohne Spalt aneinanderanliegenden Teilspulen besteht und nur der Magnetisierungsstrom in den mittleren Teilspulen ausgewertet ist, und daß die nicht zur Mesung herangezogenen Spulenendbereiche mindestens etwa die doppelte Länge derjenigen Endbereiche haben, die bei eisenfreier Spule eine unzulässige Inhomogenität des magnetischen Feldes aufweisen.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung ist es möglich, in einem verhältnismäßig langen Abschnitt eines für eine Prüfung nicht besonders vorzubereitenden ferromagnetischen Materials ein homogenes Magnetfeld aufzubauen. Insbesondere wird sichergestellt, daß die zur Messung herangezogenen Teile der Magnetisierungsspule innerhalb eines Feldteiles

ίο liegen, der praktisch homogen ist.

Soweit Einrichtungen zur Ermittlung der Eisenverluste bekannt sind, die mit einer kein Joch aufweisenden, d. h. offenen Magnetisierungs-Spulenanordnung arbeiten, handelt es sich um Einrichtungen, deren Anwendung auf die Messung lediglich kleiner speziell geformter Prüflinge beschränkt ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß man unabhängig von der Größe der Prüflinge, d. h. auch bei der Untersuchung ganzer Blechtafeln, dann mit einer offenen Spulenanordnung arbeiten kann, wenn diese in der angegebenen Weise aus mehreren Teilspulen aufgebaut ist und nur die mittleren Teilspulen zur Bildung der Meßstrecke herangezogen werden. ---·■■

Man wird dafür sorgen, daß die Spulenanordnung kürzer ist als die Prüflinge, um Einflüsse von Ecken und Kanten auszuschließen.

Zwecks Homogenisierung des Magnetisierungsfeldes, insbesondere zur Kompensation eines Ein- flusses durch ein in die Stromzuführung der die Meßstrecke bildenden mittleren Teilspulen eingeschleiftes Meßinstrument, sind zweckmäßigerweise gegebenenfalls in die Stromzuführungen zu einzelnen Teilspulen, insbesondere den äußeren Teilspulen, Impedanzen eingeschleift. Gleichzeitig oder unabhängig von dieser Maßnahme kann man einzelnen Teilspulen zusätzliche Windungen geben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist, soweit es die Magnetisierungs-Spulenanordnung betrifft, in F i g. 1 dargestellt. Man erkennt, daß die Magnetisierungs-Spulenanordnung M aus in dem in F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel zehn Teilspulen 1 bis 10 zusammengesetzt ist. Um ein möglichst homogenes Feld zu erhalten, muß man dafür sorgen, daß benachbarte Teilspulen mit ihren Stirnflächen möglichst dicht, d. h. unter Vermeidung eines Spaltes, aufeinanderliegen. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, empirisch die Reihenfolge der Teilspulen zu bestimmen, bei der die Homogenität am besten ist.

Die Teilspulen sind parallel an die Quelle für die Speisespannung U angeschlossen. Zwar ließe sich hier im Prinzip auch eine Reihenschaltung anwenden, aber die Parallelschaltung bietet die vorteilhafte Möglichkeit, nur den Magnetisierungsstrom /_M der die eigentliche Meßstrecke MS bildenden mittleren Teilspulen 4 bis 7 zur Messung der magnetischen Feldstärke des Magnetisierungsfeldes heranzuziehen. Auch ist der Magnetisierungsstrom der Meßstrecke unbeeinflußt von den Eigenschaften der Randspulen.

Mit B ist die Induktionsspule bezeichnet, deren vom Magnetisierungsfeld induzierte Spannung U_B das Maß für die magnetische Induktion ist. Wie ersichtlich, erstreckt sich diese Wicklung ebenfalls nur

über den Bereich der Meßstrecke MS.

Die Induktionsspule B ist entweder unmittelbar auf den im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bandförmigen Prüfling P aufgebracht, oder es sind an sich

bekannte Maßnahmen zur Luftflußkompensation ge- freien Messung ermittelten zugehörigen Endbereiches

troffen, die, wie F i g. 2 zeigt, in der Anordnung abzuziehen und als Meßstrecke die verbleibende

der Differentiations-Drossel M_D im Kreise der In- axiale Länge in der Mitte der Spulenanordnung zu

duktionsspule B bestehen können. Dabei ist diese benutzen.

Drossel als Überträger ausgebildet, dessen Primär- 5 Es hat sich gezeigt, daß bei konstantgehaltener

wicklung vom Magnetisierungsstrom der die Meß- Maximalinduktion die Ummagnetisierungsverluste

strecke bildenden mittleren Teilspulen durchflossen nicht nur von den magnetischen Eigenschaften des

ist. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 sind zu untersuchenden Materials selbst (die allein ermit-

dies die Teilspulen 3, 4 und 5 der dort nur aus sieben telt werden sollen), sondern auch vom Formfaktor

Teilspulen bestehenden Magnetisierungs-Spulen- io der Induktionsspannung beeinflußt werden. Der

anordnung M. Formfaktor ist bekanntlich als Verhältnis von Effek-

In der Einrichtung nach F i g. 1 sind Maßnahmen tivwert zu zeitlichem Mittelwert der Spannung defigetroffen, um den Einfluß des Innenwiderstandes des niert und ist abhängig vom Zeitverlauf derselben, zur Messung des Magnetisierungsstromes I₁₁ in die Da man daran interessiert ist, zwecks Erhalts ein-Stromzuführung der Teilspulen 4 bis 7 eingeschleif- 15 deutiger Meßwerte stets Sinusform der Induktionsten Meßinstrumentes zu kompensieren. Diese Maß- spannung zugrundezulegen, ist es zwecks Vermeinahmen bestehen in dem Vorsehen zusätzlicher Im- dung der jeweiligen Ermittlung des Formfaktors der pedanzen R 2, R 3, R 8 und R 9 in den Stromzufüh- Induktionsspannung und Umrechnung der Meßrungen der Teilwicklungen 2, 3, 8 bzw. 9. Außerdem ergebnisse, beispielsweise an Hand von Kurven, können einzelne Teilwicklungen zusätzliche Windun- 20 zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß insbesondere bei gen erhalten, wobei insbesondere die äußeren Teil- Messung an Elektroblechbändern stets eine sinuswicklungen gegebenenfalls symmetrisch zur Spulen- förmige Induktionsspannung vorhanden ist. Aus. mitte zusätzliche Windungen aufweisen. Dadurch diesem Grunde wird in Weiterbildung der Erfinwird eine gute Homogenität des Magnetisierungs- dung vorgeschlagen, zur Speisung aller oder,.emes feldes über einen. besonders großen Bereich der 25 Teiles der Teilspulen einen an sich bekannten Ver-Spulenanordnung erzielt. stärker vorzusehen, der, ...gesteuert von einer sinus-

Zur Bestimmung der Meßstrecke'MS, d.h.-der- förmigen Eingangs'spannung und einer in einer Injenigen axialen Länge der Magnetisierungs-Spulen- duktionsspule, vorzugsweise etwa von der Länge der anordnung M, die zur Messung der physikalischen Meßstrecke, von dem Magnetfeld induzierten GeGrößen herangezogen wird, hat sich folgendes Ver- 30 genkopplungsspannung, einen sinusförmigen Zeitfahren als zweckmäßig erwiesen: Zunächst wird bei verlauf der magnetischen Induktion erzwingt. Dereisenfreier Spulenanordnung M, d. h. bei entferntem artige Sinusformer sind bereits vorgeschlagen wor-Prüfling P, die axiale Länge ihrer Endbereiche ermit- den. Sie arbeiten beispielsweise so, daß der induktive telt, in denen das Magnetfeld eine unzulässige In- Blindwiderstand der Magnetisierungswicklung kapahomogenität besitzt. 35 zitiv kompensiert wird.

Diese Endbereiche kommen von vornherein nicht Der Sinusformer wird zur Steuerung einen Spanfür die Heranziehung der in ihnen herrschenden nungsgeber enthalten, dem Soll- und Istverlauf der magnetischen Verhältnisse zur Kennzeichnung der induzierten Spannung zugeführt sind und der als magnetischen Eigenschaften des Prüflings in Frage. Steuergröße die Differenz zwischen beiden bildet. Es Sobald nun Eisen, d. h. der Prüfling, in die so 40 handelt sich hierbei also um eine Regeleinrichtung, ermittelte vorläufige Meßstrecke — gebildet durch bei der die genannte Differenz als Regelabweichung die axiale Länge der gesamten Spulenanordnung M, zur Erzeugung von Befehlen für den Sinusformer vermindert um die genannten Endbereiche — einge- dient.

führt wird, ergeben sich zusätzlich Feldverzerrungen, Die mit einem Sinusformer ausgerüstete erfindie eine weitere Verringerung der bisher angenom- 45 dungsgemäße Einrichtung ist an Hand eines Beispiels menen vorläufigen Meßstrecke erforderlich machen. in F i g. 3 dargestellt. Der Spannungsgeber S des Zwar ist im Bereich der eben ermittelten vorläufigen Sinusformers Sf wird sowohl mit der sinusförmigen Meßstrecke im wesentlichen noch die maximale Speisespannung U als auch der in der Induktions-Feldstärke nach Betrag und Phase konstant, weil spule B von dem Magnetfeld induzierten Spannung sich das Eisen zu diesem Zeitpunkt in der Sättigung 50 U_B gespeist. Er bildet die Differenz aus diesen beiden befindet und demgemäß die relative Permeabilität μ_Γ Spannungen und führt sie als Steuergröße dem Sinusungefähr 1 ist, und zwar gilt ähnliches auch für die former Sf zu, der seinerseits in diesem Ausführungs-Feldstärke und ihre Phase am Orte der maximalen beispiel alle Teilspulen der Magnetisierungs-Spulen-Permeabilität, aber für Zwischenwerte sind die Feld- anordnung M speist. In der schematischen Darstelstärkewerte bei der Spulenanordnung mit eingeführ- 55 lung der F i g. 3 sind die die Meßstrecke MS bildenter Probe nicht mehr in Übereinstimmung mit dem den Teilspulen sowie die die Randbereiche bildenden für die gesamte Länge der vorläufigen Meßstrecke Teilspulen zu jeweils einer Spule zusammengefaßt, ermittelten Feldstärkewert. Dies erklärt sich daraus, Es wäre grundsätzlich auch möglich, nur einen Teil daß im Hinblick auf die eisenbedingten Feldverzerrun- der Teilspulen, und zwar die die Meßstrecke MS gen der verzerrende Einfluß der Randgebiete der Spu- 60 bildenden Teilspulen, über den Sinusformer 5/ zu lenanordnung weiter in die Randzonen der vorläufigen speisen.

Meßstrecke vordringt, so daß auch dort der Feld- Zur Leistungsmessung ist ein Wattmeter vorge-

stärkeverlauf nicht mehr sinusförmig ist. Aus diesem sehen, dessen Strompfad St in die Stromzuführung

Grunde muß für die tatsächliche Meßstrecke die der die Meßstrecke MS bildenden Teilspulen einge-

vorläufige Meßstrecke nochmals verkleinert werden, 65 schleift und dessen Spannungspfad Sp an die Induk-

und zwar hat es sich als zweckmäßig erwiesen, von tionsspule B angeschlossen ist. Ferner ist zur Mes-

jedem Ende der Spulenanordnung zumindest unge- sung der Feldstärke der Effektivwertmesser /_off in

fähr die doppelte axiale Länge des bei der eisen- die Stromzuführung der Meßstrecke eingeschaltet.

Zur Bestimmung der Induktion und zur Kontrolle des Formfaktors sind zwei Spannungsmesser, davon der eine für die Messung des zeitlichen Mittelwertes U und der andere für die Messung der Effektivspannung U_eti, in Reihe mit dem Spannungspfad Sp des Wattmeters hinter den Verstärker V geschaltet.

Will man nicht nur die Verluste schlechthin, sondern daraus auch die auf 1 kg des jeweils untersuchten Materials bezogenen Verluste bestimmen, so sind weiterhin an sich bekannte Mittel zur Bestimmung der Dicke des Prüflings durch mechanisches Abtasten oder durch Strahlungsmessung vorgesehen. Auch elektromagnetische Verfahren sind anwendbar. Die Dickenbestimmung über das spezifische Gewicht und das Gewicht des Prüflings macht beispielsweise

bei der Untersuchung bandförmigen Materials verständlicherweise Schwierigkeiten.

Die Erfindung bietet die vorteilhafte Möglichkeit, tafel- oder bandförmiges Eisenmaterial zerstörungsfrei zu untersuchen, ohne daß hierbei irgendwelche Schwierigkeiten, wie sie bei bekannten Anordnungen die Zuführung des magnetischen Flusses an den Prüfling mittels eines Joches verursacht, auftreten. Dabei bietet die Erfindung den weiteren Vorteil einer sehr

ίο erheblichen Kostenersparnis, da das bisher zur Untersuchung größerer Prüflinge für unbedingt erforderlich gehaltene Joch aus teurem magnetischen Material fortfällt. Die Einrichtung kann auch zur Messung anderer magnetischer Eigenschaften, z. B.

der Magnetisierbarkeit, dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 537/97

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ermittlung der magnetischen Eigenschaften, insbesondere der Eisenverluste, vornehmlich bandförmigen ferromagnetischen Materials unter Verwendung einer flachen, den Prüfling koaxial umgebenden, aus Teilspulen aufgebauten Magnetisierungs-Spulenänordnung ohne Eisenrückschluß, dadurch, gekennzeichnet, daß die Magnetisierungs-Spulenanordnung aus elektrisch parallelgeschalteten mit ihren jeweils benachbarten Stirnflächen ohne Spalt aneinander anliegenden Teilspulen besteht und nur der Magnetisierungsstrom in den mittleren Teilspulen ausgewertet ist und daß die nicht zur Messung herangezogenen Spulenendbcreiche mindestens etwa die doppelte Länge derjenigen . Endbereiche haben,. die bei eisenfreier Spule eine unzulässige Inhomogenität des magnetischen Feldes aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dahingehend abgeändert, daß die Teilspulen elektrisch hintereinandergeschaltet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung kürzer als die zu untersuchenden Teile aus ferromagnetischem Material (PrüflingeJ"sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Homogenisierung des Magnetisierungsfeldes, insbesondere zur Kompensation eines Einflusses durch ein in die Stromzuführung der die Meßstrecke bildenden mittleren Teilspulen eingeschleiftes Meßinstrument, einzelne Teilspulen zusätzliche Windungen aufweisen und/oder in ihre Stromzuführungen Impedanzen eingeschleift sind.

5; Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung aller oder eines Teiles der Teilspulen ein an sich bekannter Verstärker vorgesehen ist, der, gesteuert von einer sinusförmigen Eingangsspannung und einer in einer Induktionsspule, vorzugsweise etwa von der Länge der Meßstrecke, von dem Magnetfeld induzierten Gegenkopplungsspannung, einen sinusförmigen Zeitverlauf der magnetischen Induktion erzwingt (Sinusformer).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinusformer zur Steuerung einen Spannungsgeber enthält, dem SoII- und Istverlauf der induzierten Spannung zugeführt sind und der als Steuergröße die Differenz zwischen beiden bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß, sofern die Induktionsspule nicht unmittelbar auf den Prüfling aufgebracht ist, zumindest im Bereich der Meßstrecke an sich bekannte Maßnahmen zur Luftflußkompensation getroffen sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Bestimmung der Verlustziffer Mittel zur Bestimmung der Dicke des Prüflings durch mechanisches Abtasten, durch Strahlungsmessung oder auf elektromagnetischem Wege vorgesehen sind.

Es ist bekannt, die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials, vornehmlich die Eisenverluste bzw. die die auf beispielsweise 1 kg Eisen bei einem Maximalwert der Induktion von beispielsweise 10 000 Gauß bezogenen Eisenverluste darstellende Verlustziffer, in einer Einrichtung zu ermitteln, die eine Magnetisierungs-Spulenanordnung enthält. Arbeitet die Einrichtung nach dem Feldspannungsverfahren, so sind ferner eine Feldwicklung ίο und eine Induktionswicklung vorhanden; die Feldwicklung dient zur Ermittlung der. Feldspannung als Maß für die magnetische Feldstärke, während die in der Induktionswicklung vom Magnetfeld induzierte Spannung als Maß für die magnetische Induktion ausgewertet wird. Arbeitet die Einrichtung dagegen nach dem Feldstromverfahren, so besitzt sie lediglich die zusätzliche Induktionswicklung, da der der Magnetisierungs-Spulenanordnung zugeführte Magnetisierungsstrom als Maß für die magnetische FeIdstärke gemessen wird.

Die grundlegende Einrichtung dieser Art ist unter dem Namen Epstein-Rahmen bekannt. Bei ihr werden aus dem jeweils zu untersuchenden ferromagnetischen Material ausgeschnittene Teile zu ^e-inem jochartigen Rahmen mit vorgeschriebenen Dimensionen zusammengesetzt und bei bestimmter Feldstärke bzw. Induktion die Wattverluste ermittelt. Der für die Praxis sehr einschneidende Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß zur Durchführung der Untersuchung das ferromagnetische Material in. bestimmter Weise zugeschnitten werden muß, so daß bei beispielsweise in Walzwerken laufend vorgenommenen Untersuchungen diese bekannte Einrichtung einen sehr großen Abfall an dem bekanntlich teuren ferromagnetischen Material bedingt.

Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß sie eine Überprüfung der magnetischen Eigenschaften des Materials erst nach Abschluß der Fertigung desselben zuläßt, also auf Grund eines bei der Untersuchung gefundenen Abweichens der magnetischen Eigenschaften des Materials von ihren Sollwerten keine Beeinflussung der Fertigung mehr möglich ist.

Es ist ferner bekannt, bei sogenannten Ganztafel-Meßeinrichtungen ganze Tafeln aus Elektroblech zu untersuchen. Derartige Einrichtungen besitzen ein sich von beiden Seiten her auf die Blechtafel mit Polen auflegendes Doppeljoch, das aus magnetischem Material gefertigt ist. Wenn auch bei dieser Untersuchung ganzer Tafeln aus dem ferromagnetischen Material insofern etwas andere Verhältnisse vorliegen als bei der Untersuchung bestimmte Dimensionen aufweisender Proben im Epsteinrahmen, als die Bleche über ihren gesamten Querschnitt nicht als völlig homogen anzusprechen sind, der Einfluß von Kanten und Ecken sich in anderem Maße bemerkbar macht als bei der Epstein-Einrichtung und auch hinsichtlich der Lufttlußkompensation beispielsweise eine Abhängigkeit von der jeweiligen Blechsorte zu beobachten ist, ist eine derartige Ganztafel-Meßeinrichtung für die Praxis doch schon im Hinblick auf die Vermeidung des Materialabfalls wesentlich brauchbarer.

Einen weiteren Schritt hinsichtlich der Anpassung der Meßeinrichtung an die Anforderungen der Praxis stellt das Doppclrollenjoch dar, bei dem das Doppeljoch an seinen auf dem zu untersuchenden Material