DE1541772C - Vorrichtung zur Bestimmung der ma gnetischen Kenngroßen von ferromagnetischen Proben mittels eines veränderbaren Wech selfeldes - Google Patents

Description

, Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen (Induktion, Intensität der Magnetisierung, Feldstärke und . Ummagnetisierungsverlust) von ferromagnetischen Proben in Form von Stäben mit beispielsweise kreisförmigem oder rechteckigem oder ringförmigem Querschnitt in einem langsam veränderlichen Wechselfeld, z. B. eines Elektromagneten oder von Elektroblechtafeln — oder Bändern mit kleiner Dicke und großer Breite in einem schnell veränderlichen Wechselfeld, z. B. einer offenen Magnetisierungsspule mittels einer Induktionsdoppelmeßspule und einer FeIdstärkedoppelmeßspule.

Auf dem Gebiete der magnetischen Meßtechnik magnetischer Werkstoffe sind zwei Werkstoffarten charakteristisch für die anzuwendenden Meßverfahren: . ■■■■"...

I. Werkstoffe mit Dauermagnetcharakter,
II. Werkstoffe mit Weichmagnetcharakter.

I. Dauermagnetwerkstoffe

Grundlage ist die Hystereseschleife mit den charakteristischen Werten: ."

Bmax — Maximalinduktion bei H_max = Maximalfeldstärke,
Bj_max = Maximalintensität der Magnetisierung

beiH_max,

B_r = Remanenz bei H = O,
H_ic = Koerzitivfeldstärke bei B₁- = 0,
H_c = Koerzitivfeldstärke bei B = O.

Für einen magnetischen Werkstoff mit hartem Charakter werden nach bekannten Verfahren Stäbe mit rundem oder rechteckigem oder ringförmigem Querschnitt zwischen den großflächigen Polen eines Elektromagneten eingespannt und langsam auf- und abmagnetisiert. Zum Messen des Induktionsverlaufes ist im Bereich einer homogenen Magnetisierung in bekannter Weise eine Induktionswicklung mit w-Windungen um die Probe gewickelt und mit einem Fluxmeter verbunden. Dessen Ausschlagsspannung u_F ist proportional dem Zeitintegral der Induktionsspannung

Die Meßgleichungen für die Spannungen sind: 1. Feldstärke H ■

"η = w_H ■ F₁₁ -^- = w_H ■ F₁₁ ■ άμ₀Η/άί

J% · di = w„: F₁₁ -B₀ = W₁₁ ■ F₁₁ ■ _μοΗ .

2. Induktion B

'dB

u_F

₌ Γ

Λ = w · F (B₁ - ß,=₀)

und damit auch proportional der jeweiligen Induktion B bzw. ihrer Zunahme oder Abnahme. '
■-' Die zweite Größe H wird unmittelbar an der Probe mittels einer Hallsonde erfaßt, die eine feldproportionale Spannung u_a liefert. Durch Anschluß der u_F- und «_H-Spannung an einen X-Y-Schreiber wird die Hystereseschleife B = J(H) geschrieben.

.Wird dem u_F-Wert des Fluxmeters eine von der Hallsondenspannung u_H proportional abgeleitete Spannung c · u_H entgegengeschaltet, tritt die Intensität der Magnetisierung B₁- gemäß ■'■''■■' ;'.

Nach der französischen Patentschrift 1145 316 ist dargetan, wie mittels einer einfachen Feldstärkespule w_H · F₁₁ oberhalb und unterhalb des Bandes oder der Tafel die Feldstärke H und mittels einer einfachen, das Band oder die Tafel umschließenden Induktionsspule w_B ■ F_B, die Induktion B ermittelt werden.

oder

Ju_Bdi = w_BF_B ■ B = w_B- F_B (B₀ + B₁),

wobei B₀ = Luftinduktion, B₁- = Intensität der Magnetisierung ist.

Nach einem anderen bekannten Verfahren wird die Spannung u_L einer Luftspule neben der Probe in entsprechender Größe der Induktionsspulenspannung u_B entgegengeschaltet, so daß damit auch -die innere Induktion (Intensität der Magnetisierung) B₁ erhalten wird.

Die Meßgenauigkeit der bekannten Verfahren hängt mehr oder weniger von der Meßgenauigkeit des HaIlsondenkreises und von der Übereinstimmung der Luftfeldstärke der Feldspule in der Probe ab. Erfahrungsgemäß sind die Genauigkeiten nicht sehr groß. Vor allem bedarf die Hallsonde öfters einer Kontrolle und Korrektur. Die Feldspule hat einen relativ kleinen Querschnitt, damit sie nahe genug an die Probe herangebracht werden kann. Eine Verbesserung in der Genauigkeit der Meßwerte in der Stabilität der Meßspulenkombination und in der Austauschbarkeit der Proben wird bei einer Vorrichtung zur Bestimmung' der magnetischen Kenngrößen gemäß der eingangs geschilderten Art dadurch erzielt, daß gemäß der Erfindung sowohl die Induktionsdoppelmeßspulen als auch die Feldstärkedoppelmeßspulen die Probe im homogenen Gebiet ringförmig umschließen, wobei das Spulensystem aus mindestens drei konzentrischen Spulen mit den Querschnitten F₁, F₂, F₃ und den Windungszahlen W₁, w₂, w₃ (von innen nach außen gezählt) aufgebaut ist und daß für das Feldspulenpaar die Bedingung W₁ = w₂ und für das Spulenpaar der Intensität der Magnetisierung die Bedingung W₁F₁ = W₃F₃ eingehalten wird und daß zur Feldstärkemessung die zweite Spule F₂W₂ der ersten Spule F₁W₁ und zur

' . Messung der Intensität der Magnetisierung die dritte Spüle F₃W₃ der ersten Spule F₁W₁ entgegengeschaltet ist. ; .■·■■■ ■■'■ . - '. . ■/■■■.

Die Doppelmeßspulenpaare sind so einseitig miteinander verbunden, daß sie: gegengeschaltet sind und ihre Endspannung gleich der Differenz der einzelnen Spulenspannungen sind. /

Die Windungsflächen der Einzelspulen und die zugehörigen Spannungen sind von innen nach außen

1. U₁

U₂ U₃

W₁F₁, W₂F₂, W₃F₃.

Der Querschnitt des Bandes oder der Tafel ist F₀.

Um die Aufstellung der Spannungsgleichungen zu erhalten, muß die Induktion B in die Teile B₀ und B₁ gespalten werden, dann lauten die Gleichungen:

1. W₃ = W₃F₃ —

2. u, = W₇F₇

3. U₁ = W₁F₁

dt dB₀

+ Vv₂F₀

+ W₁F₀

dB,

⁰ dt '

dB,

dt '

dt

Aus der Gegenschaltung von w₂ — U₁ und U₁ — u₃ erhalten wir dann

1. Feldstärke μΗ = B₀

U₂ - M₁ = (W₂F₂ - W₁F₁)

+ (W₂F₀ - W₁ · F₀) —~-

unter der Bedingung

W₂F₀ = H',F₀ ,
d. h. w₂ = w, .

Ergebnis:

U₂ - U₁ = (W₂F₂ - W₁F₁)

= W₁ (F₂ - F₁)

dB₀ dt

dt '

2. Intensität der Magnetisierung B₁

U₁ - U₃ = (W₁F₁ - W₃F₃)
dB-,

dB₀

V₁F₀ — W₃F₀)

dt

unter der Bedingung

W₁F₁ = W₃F₃ oder W₁F₁ — W₃F₃

= 0.

Ergebnis:

U₁ - U₃ =

i - W₃) F₀

dB,-

df

spulenpaar aus je einem sich gegengeschalteten Spulenpaar (4-Spulensystem) mit den Windungen W₁, W₂, W₃, w₄ und den Querschnitten F₁, F₂, F₃, F₄ (von innen nach außen gezählt) aufgebaut.
Hierbei sind die Bedingungen W₁ = w₂ für das Feldspulenpaar und W₃F₃ — W^F₄. für das Induktionsspulenpaar einzuhalten.

Unter diesen Voraussetzungen ist die Differenzspannung des Feldspulenpaares

¹⁰ = W₁ (F₂ - F₁)

und die Differenzspannung des Induktionsspulenpaares

, dB,

u₃ - U₄ = (w₃ - W₄) F₀ -^- .

Bei der J5_rMessung ergibt sich ein weiterer Vorteil, daß als Veränderliche nur noch der Querschnitt der Probe eingeht.

An Stelle eines 4-Spulensystems läßt sich auch mit Vorteil ein 3-Spulensystem anwenden mit den Windungszahlen W₁, w₂, w₃ (von innen nach außen gezählt) und den Querschnitten F₁, F₂, F₃. Bei diesem 3-Spulensystem sind die Spulen 1 und 2 zur Feldstärkemessung und die Spulen 1 und 3 zur Induktionsmessung einander entgegengeschaltet. Hierbei gelten dann die Beziehungen W₁ = w₂ für die Feldstärkenmessung und W₁F₁ = W₃F₃ für die Induktionsmessung.

Damit gelten weiter

ih — u, =

W₁ (F₂ - F₁)

35

45 W₁ - W₃ = (W₁ - w₃) F₀

dB₀
df

dB;
df

Um hier eine Verbesserung in der Genauigkeit der Meßwerte, in der Stabilität der Meßspulenkombination und in einer leichten Austauschbarkeit der Proben (runder oder rechteckiger oder ringförmiger Stab) zu erzielen, wird nicht nur ein Spulenpaar der Intensität der Magnetisierung B_t, sondern auch ein Spulenpaar zur Messung der Feldstärke H im homogenen Bereich ringförmig um die Probe mit kreis- oder rechteckförmigem oder ringförmigem Querschnitt gewickelt. Dabei sind beide Spulensysteme so ausgebildet, daß bei der B_rMessiing der Luftflußariteil in der Probe und bei der H-M essung der Eisenfluß der Probe in seiner Wirkung selbsttätig kompensiert werden.

Zu diesem Zweck werden sowohl ein Spulenpaar der Intensität der Magnetisierung als auch ein FeId-Die Meßeinrichtung für das 4- oder 3-Spulensystem besteht aus zwei rückstellbaren Fluxmetern zur Direktanzeige der Induktions- und Feldstärkewerte und in Verbindung mit einem X-Y-Schreiber zur schnellen Aufzeichnung der Hystereseschleife B, = f(H).

Die Erfindung wird an Hand von zwei Figuren näher erläutert.

In F i g. 1 ist das Prinzip dargestellt. 1 ist ein beispielsweise U-förmiger Elektromagnet, der durch den Strom i_m der Wicklung 2 erregt wird. Zwischen den Polschuhen N-S ist die Stabprobe 3 mit dem Querschnitt F₀ eingespannt. Das homogen magnetisierte Gebiet mit konstanter Induktion und Feldstärke ist gestrichelt angedeutet. Dieses Gebiet ist von dem 3-Spulensystem 1, 2, 3 als Beispiel ausgefüllt. ■<■■·.

Das Feldspulenpaar mit der Spannung u_H ist 1-2. Das Induktionsspulenpaar mit der Spannung u_B/ ist 1-3. Die Gegenschaltung von jedem Paar ist in der unteren Hälfte angedeutet. JB₁- und H werden durch Fluxmeter 4 und 5 angezeigt. An beide ist der X-Y-Schreiber 6 zur Aufzeichnung der Hystereseschleife B₁ — f (H) angeschaltet.

II. Weichmagnetische Werkstoffe

Bei weichgemachten Werkstoffen, wie Dynamooder Transformatorenblech ohne oder mit Kornorientierung, ist der Ummagnetisierungsverlust V(W/kg) bei einer bestimmten Maximalinduktion B_max

und einer Maximalfeldstärke H^_x bei Wechselstrommagnetisierung die wichtige Kenngröße. Zu prüfen sind ausgewalzte Tafeln oder auch seit neuerer Zeit laufende Bänder unmittelbar vor dem Aufrollen zu einem Coil. Bei einer bekannten, praktisch angewendeten Ausführung für ein durchlaufendes Band erfolgt die Magnetisierung durch eine mehr oder weniger lange stromdurchflossene offene Magnetisierungsspule, deren Strom je nach der gewünschten Maximalinduktion eingestellt wird. Hierbei umschließt die Induktionsmeßwicklung das Band. Für die Feldstärkemessung kann nicht der Magnetisierungsstrom dienen, da die Scherung der offenen Spule zu groß ist. Für die fi-Messung ist deshalb beispielsweise zwischen der Oberfläche des Bandes oder der Tafel und der oberen inneren Seite der Magnetisierungsspule eine kurze Luftspule eingelegt.

So genau dieses bekannte Zweispulensystem im Raum einer konstanten Feldstärke bei genügend guter Abstimmung der Spulenabmessung aufeinander die Induktion, die Feldstärke, den Ummagnetisierungsverlust aucti zu messen vermöge, so ist die mechanische Störanfälligkeit beim Einlaufen plötzlicher Dickenänderungen, Einrissen an den Bandkanten und Wellen im Band doch reichlich groß, so daß eine wochenlange ununterbrochene Meßtätigkeit kaum möglich ist.

Uni diesen Schwächen abzuhelfen, ist es zweckmäßig, auch- bei weichmagnetischem Werkstoff für die Induktions- und Feldstärkemessung das 3- oder 4-Spulensystem zu übernehmen und konzentrisch um die Elektroblechtafel oder um das laufende Band herumzulegen. Das 3- oder 4-Spulensystem kann weiterhin von einem kurzschlußfreien unmagnetischen Spulenkasten aufgenommen werden, der die Wicklungen gegenüber dem Meßgut mechanisch abschirmt und so eine Beschädigung verhindert. Die Höhenabmessung ist so gewählt, daß das Meßspulensystem in den Spulenkörper der Magnetisierungswicklung von bekannter Ausführung eingeschoben und an ihm befestigt werden kann. Der festkörperfreie Durchschleusungsraum für das Band oder die Tafel kann in der Höhe so weit herabgesetzt werden, als es ein störungsfreier Lauf zuläßt. Die Magnetisierungslänge kann beliebig durch aneinandergereihte kurze Spuleneinheiten vergrößert werden. Auch können zwei oder mehrere Meßeinheiten in der Mitte aneinandergefügt sein. Um eine möglichst gute Symmetrie der Feldstärke ober- und unterhalb der Tafel oder des Bandes einzuhalten, kann die Spulenfläche unter dem Band mit einer reibungsfesten Isolierplatte (Glasfaserpreßplatte) so stark ausgelegt werden, daß Band und Mittellinie übereinstimmen.

Zur Verbesserung der Homogenität der Feldstärke im Feldspulenraum können zwischen dem Magnetisierungs- und Meßspulenkörper oben und unten, eventuell auch an den Seiten, in der ganzen Länge und Breite höchstpermeable Blechtafeln (Armcoeisen) eingefügt werden.

In F i g. 2 ist ein schematischer Querschnitt der Spulenanordnung einer offenen Magnetisierungsvorrichtung gezeigt.

7 ist das durchlaufende Band oder eine Tafel;

8 ist der freie Durchschleusungsraum; 65·

9 ist die Isolier- und Trägerplatte für das Elektroblech im Innern des Magnetisierungs- und Meßspulensystems;

ist der Spulenkörper, beispielsweise für ein konzentrisches 3-Spulenmeßsystem aus unmagnetischem Material;

ist der über den Meßspulenkörper 10 geschobene Spulenkörper mit der Magnetisierungswicklung;

und 13 sind angesetzte Spulenkörper mit Magnetisierungswicklungen zur Verlängerung der Magnetisierungsstrecke. Als Ersatz für die Meßspulenkörper sind Isolierleisten eingeschoben;

sind isolierende Stützkörper für die Magnetisierungsspulen;
15,16, 17 ist das 3-Spulenmeßsystem.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen (Induktion, Intensität der Magnetisierung, Feldstärke und Ummagnetisierungsverlust) von ferromagnetischen Proben in Form von Stäben mit beispielsweise kreisförmigem oder rechteckigem oder ringförmigem Querschnitt in einem langsam veränderlichen Wechselfeld, z. B. eines Elektromagneten oder von Elektroblechtafeln — oder Bändern mit kleiner Dicke und großer Breite in einem schnell veränderlichen Wechselfeld, z. B. einer offenen Magnetisierungsspule mittels einer Induktionsdoppelmeßspule und einer Feldstärkedoppelmeßspule, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Induktionsdoppelmeßspule als auch die Feldstärkedoppelmeßspule die Probe im homogenen Gebiet ringförmig umschließen, wobei das Spulensystem aus mindestens drei konzentrischen Spulen mit den Querschnitten (F₁, F₂ und F₃) und den Windungszahlen (W₁, W₂, W₃) (von innen nach außen gezählt) aufgebaut ist und daß für das Feldspulenpaar die Bedingung W₁ — W₂ und für das Spulenpaar der Intensität der Magnetisierung die Bedingung W₁F₁ = W3F3 eingehalten wird und daß zur Feldstärkemessung die zweite Spule (F₂W₂) der ersten Spule [F₁W₁) und zur Messung der Intensität der Magnetisierung die dritte Spule (F3W3) der ersten Spule (F₁W₁) entgegengeschaltet ist.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Spule der Intensität der Magnetisierung als auch die Feldstärkespule aus je einem gegengeschalteten Spulenpaar (4-Spulensystem) mit den Windungen (W₁, W₂, W₃, W₄) und den Querschnitten (F₁, F₂, F₃, F₄) (von innen nach außen gezählt) bestehen und daß hierbei die Bedingungen W₁ = W₂ z. B. für das Feldstärkespulenpaar und W₃F₃ = W₄F₄TUr das Induktionsspulenpaar eingehalten werden.

3. Meßeinrichtung für Stäbe im langsam veränderlichen Magnetfeld eines Elektromagneten nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl feldstärkeproportionale als auch induktionsproportionale Spannung über je einen rückstellarmen Fluxmeter angezeigt oder über beide Fluxmeter und einen X-Y-Schreiber als Hystereseschleife aufgeschrieben werden.

4. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen nach den Ansprüchen 1 und 2 für Elektroblechtafeln und Elektroblechbänder

I 541 772

im Wechselfeld einer offenen Spule, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Magnetisierungswicklung als auch das 3- bzw. 4-Spulenmeßsystem von ineinanderschiebbaren Spulenkörpern getragen werden, wobei glatte Innenwände für einen hemmungsfreien Durchlauf des Meßgutes sorgen.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen nach den Ansprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem in 1, 3 oder mehrere ungeradzahlige Spulenkörper unterteilt ist und der mittlere das 3- oder 4-Spulenmeßsystem innerhalb seiner Magnetisierungswicklung enthält oder daß das Spulensystem in zwei oder mehrere geradzahlige Spulenkörper unterteilt ist und die beiden mittleren das 3- oder

4-Spulensystem innerhalb der Magnetisierungswicklung aufnehmen.

6. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Boden des Spulenkörpers mit einer ebenen Isolierplatte (Glasfaser) ausgelegt ist, um die Tafeln bzw. das Band möglichst in der Mitte des Meßraumes und ohne wesentlichen Durchhang zu führen.

7. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kenngrößen nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Magnetisierungsspule und Meßspulensystem hochpermeable Blechtafeln auf der ganzen Länge der Magnetisierungsspule eingelegt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 534/50