DE273821C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 273821 KLASSE 21g. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. August 1912 ab.

Die vorliegende Erfindung gründet sich auf folgendem Prinzip: Ordnet man eine um ihre Längsachse drehbare Platte aus paramagnetischem Material in einem Magnetfeld an, dessen Kraftlinien parallel zur Längsachse der Platte verlaufen, so stellt sich dieselbe mit ihrer Querachse in eine bestimmte Richtung ein, welche abhängig ist von der Form derjenigen Fläche, über die sich das magnetische Feld ausbreitet.

ίο In Fig. ι ist M ein permanenter Magnet, P ein in dem Magnetfeld um seine Längsachse drehbares Plättchen, an dem ein Zeiger Z befestigt ist. Die magnetischen Kraftlinien gehen vom oberen Schenkel des Magneten aus und durchsetzen das Plättchen P. Es zeigt sich nun, daß bei der dargestellten Form des Magneten das Plättchen sich mit seiner Querachse senkrecht zur Längsachse des Magneten einstellt. Wird der Magnet beispielsweise in seiner Breite auf die Hälfte reduziert, so ändert sich dadurch die Stellung des Plättchens P, und dasselbe stellt sich jetzt mit seiner Querachse parallel zur Längsachse des Magneten. Genauere Untersuchungen zeigten, daß die Stellung des Plättchens sich mit der räumlichen Ausdehnung des Feldes verändert, und zwar würde beispielsweise die Ausbreitung des Feldes bei dem in Fig. ι dargestellten Magneten nach dem in Fig. 3 gezeichneten Rechteck vor sich gehen, wobei angenommen ist, daß in allen Punkten des Rechteckes nahezu gleiche Felddichte besteht. Das in der Mitte des Rechteckes befindliche Plättchen stellt sich bei dieser Feldausdehnung mit seiner Querachse parallel zur 40

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Linie a-b ein. Dem zweiten Fall, daß der Magnet nur die halbe Breite, als in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt, entspricht die in Fig. 4 dargestellte Feldausdehnung, wobei das Plättchen seine Stellung gegen Fig. 3 um 90° verändert. Wird das Plättchen gewaltsam aus den in Fig. 3 und 4 ersichtlichen Stellungen gedrängt, so kehrt es stets in die durch die Linien a-b (Fig. 3) und c-d (Fig. 4) angedeuteten Lagen zurück, ist also darin stabil, während es in den Stellungen längs der Linien c-d (Fig. 3) unda-δ (Fig. 4) Labillagen besitzt. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Magnetfeld, welches innerhalb eines quadratischen Flächenraumes nahezu in allen Punkten gleiche Dichtigkeit besitzt, ergeben sich für das Plättchen zwei Stabillagen längs den Diagonalen e-f, g-h, und zwei Labillagen längs den Achsen a-b, c-d. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Magnetfeld verhält sich das Plättchen P, falls es genau in der Mitte des sich kreisförmig um dasselbe ausbreitenden, überall gleich dichten Magnetfeldes leicht drehbar um seine Längsachse angeordnet ist, vollkommen indifferent und verharrt in jeder beliebigen Stellung im indifferenten Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht wird aber sofort aufgehoben, wenn die geringste Störung in der gleichförmigen Feldausbreitung entsteht, und das im Mittelpunkt des kreisförmig ausgebreiteten Feldes befindliche Plättchen reagiert sofort mit einer Drehung um seine Längsachse auf jede in der Ausbreitung des Magnetfeldes vor sich gehende Änderung. Dasselbe tritt auch bei den in Fig. 3 bis 5 dargestellten Feldformen ein. Das in dem Felde des Magneten

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nach Fig. ι befindliche Plättchen verändert sofort die gezeichnete Stellung, wenn innerhalb des Magnetfeldes noch ein zweiter paramagnetischer Körper angeordnet wird, wie z. B. der Körper B in Fig. 2. Durch Annäherung und Entfernung des Körpers B an das Plättchen P kann man letzterem jede beliebige Stellung erteilen, welche es so lange unverändert beibehält, als der Körper B ebenfalls seine Lage

ίο nicht weiter verändert. Durch geeignete Wahl der Größenverhältnisse kann man die Empfindlichkeit des Plättchens P auf einen so hohen Betrag bringen, daß z. B. eine Verschiebung des Körpers B um ¹Z₁₀₀ mm genügt, um eine Drehung des Plättchens um i8o° zu erhalten. Dabei folgt das Plättchen den Änderungen der Feldausbreitungen mit so großer Genauigkeit und Präzision, daß sich die Umdrehungen einer den Körper B bewegenden Mikrometerschraube bis auf Bruchteile eines ¹Z₁₀₀₀ mm aus den Ausschlägen des mit dem Plättchen P verbundenen Zeigers Z ermitteln lassen.

Außer durch einen paramagnetischen Körper läßt sich die Feldausbreitung auch mittels stromdurchflossener Leiter oder Spulen beliebig verändern. Wird z. B. in Fig. 2 an die Stelle des Körpers B eine Spule von geeigneter Form gebracht, so treten bei Stromdurchgang durch dieselbe sofort Änderungen in der Feldausbreitung zwischen den Polen des Magneten M ein, welche auch bei sehr schwachen Strömen beträchtliche Ablenkungen des Plättchens P von seiner Stabillage hervorrufen. Durch passende Anordnung von Spulen lassen sich die verschiedensten Wirkungen auf das Plättchen hervorbringen, so daß dasselbe jede gewünschte Bewegung ausführt. Dabei hat man es ganz in der Hand, durch Wahl der ursprünglichen Feldausdehnung dem Plättchen eine mehr oder weniger große Stabillage zu erteilen oder bei kreisförmig ausgebreitetem Feld dasselbe im Ruhezustand indifferent zu halten. Im letzteren Falle kann man dann Federn zur Rückführung des Plättchens in seine Anfangslage vorsehen.

Durch seine Lage innerhalb des äußerst kräftigen Magnetfeldes wird das Plättchen selbst zu einem Magneten, und zwar befinden sich seine Pole an den Ein- und Austrittsstellen der Kraftlinien; in Fig. 1 ist z. B. oben ein Südpol und unten ein Nordpol. Bei Annäherung eines magnetischen Gegenstandes an die Polenden des Plättchens reagiert dasselbe mit Anziehung oder Abstoßung, wobei es ebenfalls eine Drehung um seine mehr oder weniger große Stabillage ausführt. Dabei kann es weder umpolarisiert werden, noch läßt sich sein Magnetismus zerstören, weil das kräftige Magnet-. feld, innerhalb dessen es sich befindet, seine Polarität und Intensität unter allen Umständen aufrechterhält. Man kann auch das Plättchen praktisch gewichtslos machen, wenn man seine Lagerungen in bestimmten Abständen von den Polen des Magneten anordnet, so daß die von den beiden Magnetschenkeln auf das Plättchen ausgeübten entgegengesetzt wirkenden Zugkräfte sich nahezu aufheben. Dadurch läßt sich die Zapfenreibung fast vollkommen beseitigen, und das Plättchen kann bei richtiger Anordnung auch ohne Halslager zwischen den Magnetpolen stehen, wobei es * sich, nur mit äußerst geringem Druck auf seinem Spurlager ruhend, freischwebend in senkrechter oder wagerechter Stellung hält.

Äußere Magnetfelder haben auf das Plattchen keinen Einfluß, sofern sie das Feld des Magneten gleichmäßig in allen Punkten durchsetzen. So ist z. B. die Stellung des Plättchens vom Erdfeld vollkommen unabhängig, weil dasselbe eine Änderung in der Ausbreitung des Magnetfeldes nicht hervorbringen kann. Auch Magnetfelder, die von stromführenden Leitern ausgehen, haben keinen Einfluß auf das Plättchen und nur ein dem Magneten seitlich genäherter Pol eines anderen Magneten von großer Stärke vermag eine Ablenkung herbeizuführen, sofern nicht durch paramagnetische Schutzringe auch diese Einwirkungen von vornherein ausgeschlossen werden.

Die vorbeschriebenen Erscheinungen ändern sich nicht, wenn an Stelle des permanenten Magneten M in Fig. 1 ein Elektromagnet gesetzt wird, dessen Spule von Wechselströmen durchflossen wird. Das Plättchen nimmt dabei ebenfalls seine Lagen in Abhängigkeit von der Feldausdehnung ein, nur verhält es sich nicht mehr wie ein permanenter Magnet, sondern seine Polarität wechselt mit der Frequenz des die Elektromagnetspule durchfließenden Wechselstromes. Aus diesem Grunde reagiert es auf die Einwirkung einer ihm genäherten und von Wechselströmen gleicher Frequenz und gleicher Phase durchflossenen Spule ebenfalls wie eine solche, und es lassen sich dabei Drehbewegungen jeder gewünschten Art herstellen. Bei Annäherung eines permanenten Magneten beginnt das Plättchen mit der Frequenz des dasselbe durchsetzenden Magnetfeldes zu schwingen, sofern seine Masse und der Luftwiderstand so weit verringert werden, daß keine Dämpfung der Schwingungen eintritt.

Läßt man das Magnetfeld sich abwechselnd nach verschiedenen Richtungen ausbreiten, so kann eine vollständige Rotation des im Mittelpunkt des Feldes angeordneten Plättchens erzielt werden. Hierzu können von periodischen und gleichgerichteten Strömen durchflossene Elektromagnetspulen verwendet werden, oder es können auch in der Phase gegeneinander verschobene Wechselströme zur Erregung des auf das Plättchen wirkenden Magnetfeldes herangezogen werden. Das letztere kann hier-

bei eine der Drehbewegung angepaßte Form sowie zweckentsprechende Drahtbewicklung erhalten, in welcher Ströme zur Verstärkung der aufeinander wirkenden Kräfte induziert werden. Bei geeigneter Form des magnetischen Feldes lassen sich auch mehrere Platten sternförmig miteinander verbinden, welche mit verstärkenden Induktionswicklungen ein sehr kräftiges Drehmoment bei Änderungen der Feldausdehnung entwickeln.

Die nach vorstehend beschriebenem Prinzip hergestellten Apparate lassen sich zu den verschiedenartigsten Zwecken verwenden. So kann man z. B. äußerst exakt arbeitende Feinmeßgeräte oder Mikrometer herstellen, bei welchen der mit dem im Magnetfelde schwebenden Plättchen verbundene Zeiger noch ¹ZiOOo ^{mm an} einer Skala genau abzulesen gestattet. Außerdem ist ein derartiger Apparat vorzüglich zur Übertragung von sehr kleinen Bewegungen auf eine große Skala geeignet und kann für alle existierenden Meßgeräte und Instrumente in Anwendung gebracht werden.
Besondere Vorteile bieten derartige Apparate auch für alle zur Elektrizitätsmessung bestimmten Instrumente. So lassen sich beispielsweise Meßgeräte für Gleichstrom herstellen, die bei gleicher Empfindlichkeit der bekannten Drehspulinstrumente eine feststehende Spule besitzen, welche die Feldausbreitung des permanenten Magneten in der gewünschten Weise verändert. Das vom Magneten polarisierte Plättchen braucht dabei nur etwa ¹Z₅₀ der Masse von den bis jetzt verwandten Drehspulen zu enthalten, benötigt keine Stromzuführungen und folgt den geringsten Änderungen der Ausbreitung des permanenten Magnetfeldes mit großer Genauigkeit. Die durch das Magnetfeld ausgeübte Dämpfung läßt sich dabei durch passend angeordnete kurzgeschlossene Kupferdrähte beliebig vergrößern. Wird die Ausdehnung des Magnetfeldes durch entsprechende Wahl der Form des permanenten Magneten nach einer bestimmten Richtung vergrößert, so erhält das drehbare Plättchen in dieser Richtung eine Stabillage, so daß die zur Rückführung in die Nullage bei kreisförmig ausgebreitetem Feld erforderlichen Federn entbehrt werden können und somit jeder Fehler in den Angaben des Instruments durch Veränderungen der Feder elastizität ausgeschlossen ist.

Derart aufgebaute Instrumente können als Volt- und Amperemeter Verwendung finden und bieten hinsichtlich ihrer billigen Herstellung sowie großer Genauigkeit in den Angaben wesentliche Vorteile vor allen bis jetzt bekannten Gleichstrommeßgeräten.

Besondere Vorteile bietet ferner ein nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip hergestelltes Relais. Das im Magnetfeld schwebende, nahezu gewichtslose Plättchen ermöglicht die Verwendung eines solchen Relais auch für derartige Zwecke, wo die bis jetzt bekannten polarisierten oder Drehspulreleis infolge ihrer großen Massen unbrauchbar waren, und das große Drehmoment, welches das Plättchen bei Änderungen der Feldausbreitung entwickelt, ermöglicht einen sehr sicheren Kontaktschluß der Hilfsstromkreise.

Die gleichen Vorteile wie in der Anwendung für Gleichstrommeßgeräte bieten die nach vorbeschriebenem Prinzip hergestellten Apparate auch für die Messung von Wechselströmen. Außer Volt- und Amperemeter sind es hierbei namentlich die zur Leistungsmessung erforderliehen Wattmeter, für welche sich das neue Prinzip besonders gut verwenden läßt. Solche Wattmeter mußten zur Erreichung genügender Genauigkeit bisher stets nach dem Dynamometerprinzip mit einer feststehenden und einer beweglichen Spule ausgeführt werden. Diese bewegliche Spule wird bei den neuen Wattmetern ebenfalls feststehend ausgeführt, und nur das von dieser Spule polarisierte drehbare Plättchen ist leichtbeweglich in der Nähe der vom Hauptstrom durchfiossenen Spule angeordnet. Letztere ändert nun die Ausbreitung des vom Nebenschlußstrom erzeuten Feldes je nach der Intensität des Hauptstromes mehr oder weniger, und das drehbare Plättchen folgt jeder kleinsten Änderung in der Feldausbreitung sofort, wobei sein Drehmoment abhängig ist von der zwischen Hauptstrom und Nebenschlußstrom bestehenden Phasenverschiebung. Ist beispielsweise das vom Hauptstrom erzeugte Feld gegen das vom Nebenschlußstrom erzeute Feld um eine Viertelperiode verschoben, so ist das Drehmoment des Plättchens in jedem Fall gleich Null.

Außer den vorerwähnten Anwendungsbeispielen bieten sich noch viele Möglichkeiten, bei welchen sich Vorteile in der Verwendung von Apparaten nach dem eingangs beschriebenen Prinzip bieten. So können z. B. die bekannten Maschinentelegraphen für Schiffe, Hüttenwerke usw. sehr vorteilhaft nach dem neuen Prinzip hergestellt werden. Ebenso ergeben sich Vorteile bei der Anwendung für Steuerungen, Fernschalter usw. sowie für alle Apparate, bei welchen elektromagnetische Wirkungen benutzt werden.

Auch zur Übertragung von rotierenden Bewegungen ist das vorbeschriebene Prinzip vorzüglich geeignet. Mittels pulsierender Gleichströme oder in der Phase gegeneinander verschobener Wechselströme lassen sich die · verschiedensten Wirkungen auf die Feldausbreitung erzielen, wobei, wie anfangs beschrieben, der im Magnetfeld drehbare Körper vollständige Rotationsbewegungen ausführen kann. Derartige Apparate sind für eine große Zahl von technischen Einrichtungen anwendbar, und

als besonderer Vorteil ist hervorzuheben, daß keinerlei Schleifkontakte, Kommutatoren oder andere Stromzuführungen zu dem im Magnetfeld angeordneten Körper erforderlich sind.
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Claims (5)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Bewegungen eines Zeigers o. dgl. an elektrischen

ίο Apparaten oder anderen Instrumenten, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines permanenten Magnetfeldes oder eines konstanten Wechselfeldes ein aus paramagnetischem Material bestehender, longitudinal zu seiner Drehungsachse durch das Feld magnetisierter Körper, dessen Querschnitt in mindestens zwei Richtungen verschiedene Ausdehnung besitzt, mit seiner Querachse je nach der Flächenausbreitung des Feldes in eine bestimmte Richtung eingestellt wird, wobei die räumliche Ausdehnung des Magnetfeldes durch paramagnetische Körper oder Elektromagnetspulen in Form und Dichtigkeit in beliebiger Richtung verändert werden kann.

2. Gleichstrommeßgerät zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des im Felde eines permanenten Magneten angeordneten paramagnetischen Körpers durch Veränderung der Ausbreitung des Magnetfeldes mit Hilfe einer Elektromagnetspule erzielt wird.

3. Relais zur Anwendung des Verfahrens ■^nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, elaß die von dem magnetisierten Körper eingenommene Stabil- oder Labillage durch die mittels einer stromdurchflossenen Spule oder durch Annäherung bzw. Entfernung eines paramagnetischen Körpers hervorgerufene Änderung der räumlichen Ausbreitung des den paramagnetischen Körper aufnehmenden Magnetfeldes geändert wird.

4. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Magnetfeld beweglich angeordnete, paramagnetische Körper mit einer Wicklung versehen ist, in welcher zur Verstärkung des bei Änderungen der Feldausbreitung auftretenden Drehmomentes 5" elektrische Ströme induziert werden.

5. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitung des den paramagnetischen Körper aufnehmenden Magnetfeldes durch pulsierende Gleichströme oder durch in der Phase gegeneinander verschobene Wechselströme nach mehreren Richtungen in aufeinander folgenden Zeitabschnitten räumlich in Form und Dichtigkeit geändert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.