DE2024973A1 - Drehmagnet - Meßinstrument - Google Patents

Description

• Drehmagnet- Meßinstrument.
• Die erfindung bezieht sich auf ein Neßinstrument mit drehbar angeordnetem Dauermagneten zur Messung von elektrischen Gleich-Strömen und Spannungen, insbesondere im Mikroampere- und iilikrovolt- Bereich.
• Bekanntlich benutzt man zur Messung sehr kleiner elektrischer Ströme und Spannungen vorzugsweise sogenannte Drehspulinstrumente. Bei diesen Instrumenten dreht sich eine kleine Spule, an welcher der über die Skala gleitende Zeiger angebracht ist, im Felde eines starken Der manentmagneten, sobald der zu messende Strom die Spule durchfließt. Die Rückstellkraft zur Null-bage liefern zwei Spiralfedern aus Phosphorbronze, über die auch der Strom in die Spule geleitet wird. Um die l¢eßempfindlichkeit dieser Anordnung zu erhöhen, ist innerhalb der Spule ein zylindrischer, feststehender Eisenkörper angebracht und der Permanentmagnet so geformt, daß sich die Spule in einem ringförmigen Luftspalt drehen kann. Bei sogenannten Kernmagnetsystemen ist der zylindrische, feststehende Körper innerhalb der Drehspule ein diametral magnetisierter Kernmagnet. Die Spule ist von einem Bisenring umgeben, der für den magnetischen Rückschluß dient und mit dem Kernmagnet den Ringluftspalt für die Spule bildet.
• Für den Aufbau solcher Brehspulinstrumente sind relativ große und damit teure Dauermagnete erforderlich.
• Die Drehspule muß mit Rücksicht auf kleinen Leistungsverbrauch den feststehenden Bisensylinder oder Kernmagnet eng umschließen. Daher sind die Spiralfedern außerhalb der Wicklung angebracht. Der Eisenzylinder hat, von außen zugängig, in Lagerachsrichtung verstellbare Lager auf zur nehmen, was bei der Kleinheit der Anordnung fertigungstechnisch schwierig ist.
• Durch die notwendige Halterung des in der Drehspule angeordneten zylindrischen Körpers, ist der Drehwinkel der Spule eingeengt und liegt üblicherweise in der Größenordnung von etwa 90 Grad.
• Die Rückstellkraft muß infolge der notwendigen Stromzufuhr zur beweglichen Drehspule von zwei Spiralfedern aufgebracht werden.
• Kleinster Leistungsverbrauch und kleine Lagerreibung erfordern ein kleines Gewicht der Drehspule. j4an geht damit soweit herunter, als es die mechanische Festigkeit des Spulenrahmens zuläßt, was bei der Fabrikation nachteilig ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile mit der Einführung eines neuen Drehmagnet - Systems zu vermeiden.
• Auf einen Stabmagneten mit dem Kraftfluß + (Voltsekunden), dessen Längsachse querfizu einem magnetischen Felde der Stärke H (Ampe're/iV1eter) liegt wirkt die Kraft P = H (Großdyn).
• Wird der Stabmagnet um seine Querachse drehbar angeordnet, wobei eine Spiralfeder die Rückstellkraft liefert, so wird einer bestimmten Intensität des magnetischen Feldes ein bestimmter Drehwinkel des Stabmagneten entsprechen. Die Feldstärke H wird von einer festliegenden Spule erzeugt, die den zu messenden Strom führt.
• Ir dieser bekannten Form ist die Anordnung nur für den Aufbau von Meßinstrumenten für größere Ströme brauchbar, weil die erforderliche Feldstärke im Medium Luft einen beträchtlichen Nagnetisierungsaufwand erfordert.
• Die Empfindlichkeit dieser beschriebenen Anordnung kann sehr beträchtlich gesteigert werden, wenn sowohl die Rückführung des Kraftflusses # des Stabmagneten, wie auch die des Feldes der festliegenden Spule weitestgehend in Werkstoffen erfolgen, die den magnetischen Fluß gut leiten, also in weichmagnetischen Werkstoffen, Piagnetreineisen oder Ferrit.
• Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Stabmagnet zentrisch und um seine Querachse drehbar, innerhalb eines den magnetischen Fluß gut leitenden Ringes aus agnetreineisen oder Ferrit, gelagert und das magnetische Feld der fest angeordneten Spule, die den zu messenden elektrischen Strom führt, diametral gegenüberliegend in den Ring ein- und ausgeleitet werden, wobei der magnetische Fluß der Spule (das magnetische Feld) gleichfalls in magnetisch gut leitenden Werkstoffen geführt ist.
• Abb. I zeigt diese Anordnung mit den magnetischen (inzel-!) Kraftflüssen der Spule (4) und des Stabmagneten (18). Die gezeichnete Lage des Stabmagneten (18) entspricht einem halben Zeigerausschlag des Instrumentes. Die Rückstellkraft für den Stabmagneten (18) zur Nullstellung wird von einer nicht gezeichneten Spiralfeder aufgebracht.
• Um den Stabmagneten (18) beim Einschalten des Spulenstromes die gewünschte Drehrichtung zu geben, ist es notwendig, die Nullstellung um wenige Winkelgrade in dieser Richtung von den Speisepunkten X entfernt, vorzuverlegen. Der Drehwinkel des Stabmagneten (18) (der maximale Zeigerausschlag des Instrumentes) liegt daher wenige Winkelgrade unterhalb 18"0.
• Siit dieser I>iaßnahme wird auch der Einfluß des für den Stabmagneten (18) zum Ring (7) parallel geschalteten magnetischen Kreises (1) der Spule (4) vermindert, der sich in einer nicht linearen Skalenteilung in der Nähe des Nullpunktes bemerkbar macht.
• Es gibt Anwendungsfälle, bei denen eine Nichtlinearität der Skalenteilung, ja sogar eine Nullpunkt-Unterdrückung gefordert wird. Diese Forderungen können mit dem beschriebenen Drehmagnet-System durch entsprechende Wahl der mag netischen Widerstände für den Ring (7) und den Kreis (1) der Spule (4), sowie der Lage der Nullstellung des Stabmagneten (18) erfüllt werden.
• Bei maximalem Zeigerausschlag des Instrumentes fällt die Längsachse des Stabmagneten (18) in die Richtung der diametral gegenüberliegenden Speisepunkte X. Diese Lage wird auch bei weiter ansteigenden Strömen und damit größeren Feldstärken der Spule (4) beibehalten, d.h. ein Instrument mit einem solchen Brehmagnet-System ist mit einer Anzeigebegrenzung ausgestattet, die z.B.
• in Rundfunkempfängern zur Sender-Abstimmanzeige benötigt wird. Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten ist die größere Belastbarkeit der Spule (4).
• In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß, entgegen den Verhältnissen beim Drehspul-Instrument, die festliegende Spule (4) ohne Rücksicht auf Gewicht in ihren Abmessungen unter Berücksichtigung der erforderlichen Ampère-Windungszahl, frei gewählt und an die Erfordernisse des elektrischen Kreises, dessen Strom zu messen ist, angepaßt werden kann (Drahtstärke, mittlere Windungslänge).
• Aus Abb. I ist ferner zu erkennen, daß die Luftspalte zwischen den Stirnseiten des Stabmagneten (18) und der inneren Wand des Ringes (7) klein gehalten und nach optimalen I4agnetisierungs-Bedingungen ausgelegt werden können. Die durch den magnetischen Fluß des Stabmagneten (18) hervorgerufenen Radialkräfte heben sich gegenseitig auf, so daß die Lager des Stabmagneten entlastet sind.
• Am Übergang zwischen dem Außendurchmesser des Ringes (7) und dem magnetischen reis (1) der Spule (4) entstehen zwei sehr kleine (Beruhsungs-) Luftspalte, die zwar einen kleinen Magnetisierungs=Aufwand erfordern, aber auch verkleinernd auf die Streuwerte der magnetischen Kenndaten der Werkstoffe bei der Serienfertigung der Instr mente einwirken.
• Reichen diese Luftspalte dafür nicht aus, so kann ein weiterer Spalt d (Abb.I) in der Symmetrieebene des Systems innerhalb der Spule (4) eingeführt werden, der auch zur besseren Linearität der Skalenteilung des Instrumentes beiträgt und in dieser Anordnung kein Streufeld außerhalb des Systems hervorruft.
• Zum Ausgleich der Kennwertstreuungen der Einzelelemente, also von der Spule (4), dem Kreis (1), dem Ring (7), dem Stabmagneten (18) und zur Justierung des Skalenendwertes kann auch ein weiterer, wie bei Drehspul-Instrumenten bekannter magnetischer Nebenschluß eingefügt werden, der in den Abb. V und VI gezeigt wird.
• In weiterer Ausbildung der Erfindung läßt sich der magnetische Kreis der Spule den Gegebenheiten der Instrumenten-Konstruktion anpassen. Die Abb.II, III, IV zeigen schematisch den Aufbau des Spulenkreises (1) und der möglichen Wicklungsanordnung (4). Die Bezeichnungen sind aus Abb.I übernommen. Auch hier kommen für den Aufbau der magnetischen Kreise die weichmagnetischen Werkstoffe, Magnetreineisen, Dynamoblech und Ferrit infrage, die hohe Induktionen mit geringen Erregerströmen erreichen, bei kleinster Restinduktion nach dem Abschalten des elektrischen Spulenstromes.
• Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in Abb. V,VI,VII beschrieben.
• Abb. V zeigt einen Schnitt in der Symmetrieebene des Meßinstrumentes, Abb. VI eine Draufsicht, wobei der Zeiger und der obere Spitzenlagerbügel abgebrochen gezeichnet sind, um tiefer liegende Bauteile besser zu erkennen. In Abb. VII ist eine Seitenansicht in Richtung der Symmetrieebene dargestellt, wobei der magnetische Nebenschluß abgenommen ist.
• Zwei L-förmige Körper (1) aus weichmagnetischem Werkstoff stecken mit ihren kurzen Schenkeln in einem Wickel-(Spulen-) Körper (2), der an den Stirnseiten je zwei Stege (3) aufweist, die zur Arretierung der beiden Körper (1) im Wickelkörper (2) dienen, indem beide Körper durch die Schrauben (5) miteinander verbunden sind (Abb. VI, VII). Der Wickelkörper (2) nimmt die Kupferdrahtwicklung (4) auf. Aus Abb0 VI ist zu erkenne, daß die beiden kurzen Schenkel der Körper (1) im Wickelkörper (2) einen Luftspalt (6) freilassen, die Stirnseiten der Schenkel sich also nicht berührend Die langen Schenkel der Körper (1) sind an der Stelle radial ausgearbeitet, an der sie den Ring (7), Abb0VI, aufnehmen. Aus den Abb0 V, VII, ist ersichtlich, daß die Bauhöhe des Ringes (7) größer ist, als die Bauhöhe der Körper (1). Die beiden Lagerbügel (8) und (9) sind daher ringförmig ausgearbeitet mit dem Naß des Ring-Außendurchmessers und einer Tiefe, die der halben Differenz er Bauhöhen von Ring (7) und Körper (1) entspricht. Mit dieser Maßnahme wird erreicht9 daß die Lagerbügel (8) und (9) den Ring (7) nicht nur durch Verschraubung (Schrauben 10) mit den Körpern (1) arreX tieren, sondern auch die Spitzenlager (11) und (12) mit Bezug auf den Ring (7) zentrieren0 In Abb0 VI ist nur der Kopf einer Schraube (10) eingezeichnet9 die das gezeichnete Stück des Lagerbügels (8) mit dem Körper (1) verbindet. Durch den Abbruch des Lagerbügels (8) ist die Bohrung (13) zu sehen9 welche Schraube (10) aufnimmt. Die Lagerbügel (8) und (9) führenmit ihren Beim sten (14) und (15) den magnetischen Nebenschluß (16) an den Stirnseiten der langen Schenkel der Körper (1)o Der zwischen den Spitzen-Schrauben (11) und (12) gelagerte Körper (17) nimmt den Stabmagneten (18)9 den Zeiger (19) und die Rückstell-Spiralfeder (20) auf. Das innere Spiralfederende ist am Zeigerzapfen (21), das äußere Ende am Nullstellkorrekturhebel (22) befestigt.
• In Abb. V, VI ist der Zeiger (19) in der Stellung des halben Zeigerausschlages dargestellt. In Abb. VII sind die Lagerbügel (8) und (9), Körper (17), Zeiger (19) und Spiralfeder (20) nicht gezeichnet0 Die Schrauben (5) und / oder (10) können zur Befestigur.g des Meßwerkes im Gehäuse dienen.
• Wie bereits aus Abb.I ersichtlich, entsteht beim Durchfluß des zu messenden elektrischen Stromes durch die Wicklung (4) in den Körpern (1) ein Magnetfluß, der an den diametral gegenüberliegenden Punkten des Ringes (7), also zwischen den Körpern (1) und dem Ring (7), eine magnetische Feldstärke hervorruft, die auf den permanenten Kraftfluß des Stabmagneten (18) ein mechanisches Moment ausübt, dem die Rückstellkraft der Feder (20) entgegenwirkt.
• Die dargestellte Ausführung der Lagerbügel (8) und (9) ermöglichen einen Zeigerausschlag über fast 1800. Um die Lagerbügel (8) und (9) auf spritztechnischem Wege aus Kunststoff herstellen zu können, sind sie so gestaltet, daß die Spritzform mit einer Teilungsebene ausgeführt werden kann. Mit dem magnetischen Nebenschluß (16) wird in bekannter Weise durch Veränderung der Luftspaltfläche zwischen Teil (16) und Körper (1) der Nennwert des Instrumentes eingestellt.
• Das auf den Stabmagneten (18) wirkende Drehmoment ist der Luftspaltinduktion und dem Volumen des Stabmagneten (18), sowie der durch die Spule (4) im Ring (7) hervorgerufenen magnetischen Induktion proportional.
• Rechnung und Versuch zeigen, daß Drehmagnet-Instrumente der vorgeschlagenen Bauart mit kleinerem rägheitsmoment ausgelegt werden können, als für Drehspulen. Der Vorteil des einfacheren Aufbaus ist aus den Abbildungen ersichtlich.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Drehmagnet-Meßinstrument zur Messungvon elektrischen -. Gleichströmen9 insbesondere im Mikroampère-Bereich, - mit drehbar angeordnetem9 stabförmigen Permanentmag neten, dadurch gekennzeichnet9 daß der Stabmagnet zentrisch und um seine Queraehse drehbar innerhalb eines den magnetischen Fluß gut leiwenden Ringes aus weichmagnetischem Werkstoff gelagert ist und das die Auslenkung des Stabmagneten bewirkende magnetische Feld der fest angeordneten Spule 9 die den zu messenden Strom führt, diametral gegenüberliegend in den Ring einz und ausgeführt wird, so daß je die Halfte des magnetischen Flußes der fest angeordneten Spule eine Ringhälfte im Uhrzeigersinn und die andere Ringhälfte entgegen dem Uhrzeigersinn durchfließen0

2. Drehmagnet-ießinstrument nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet 9 daß der magnetische Fluß der fest angeordneten Spule gleichfalls in weichmagnetischen Werkstoffen geführt wird 9 wobei für die Gestaltung des magnetischen Kreises U-förmige Körper nach Abb0 II oder Rahmenkörper mit Mittelstegen nach AbboIII und IV benutzt werden0

3. Drehmagnet-Meßinstrument nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeicNnet9 daß die den zu messenden Strom führende Spule auf dem Mittelteil des U-förmigen magnetischen Kreises nach Abb0 I oder aufgeteilt auf beiden Schenkeln dieses Kreises nach Abb.Il angebracht ist,

4. Drehrmagnet-Keßinstrument nach den Ansprüchen 1 und 29 dadurch gekennzeichnet, daß die den zu messenden Strom führende Spule bei Rahmenkörpern nur auf einer Mittelsteghälfte nach Äbb III oder symmetrisch aufgeteilt sif dein Mittelsteg nach libbo I5Tangebracht ist.

5. Drehmagnet-Meßinstrument nach Anspruch 1, 2, und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis der fest angeordneten Spule zur Verminderung der auswirkung von Permeabilitätstoleranzen in der Serienfertigung innerhalb der Spule einen kleinen Luftspalt d aufweist (Abb.I).

6f Drehmagnet-Meßinstrument nach den voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückstellkraft für den Permanentmagneten eine Spiralfeder angeornet ist.