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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen
Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des WäL-gutes
und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten
Permanentmagnetsystems befindet und die Kompensationskraft erzeugt.
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Waagen dieser Art sind bekannt und in ihrer üblichen Ausführungsform
beispielsweise in der US-PS 4 062 416 beschrieben. Dabei ist das Permanentmagnetsystem
zylinderförmig ausgebildet und erzeugt ein waagerecht verlaufendes, radial-symmetrisches
Magnetfeld, in das eine Spule mit senkrechter Achse eintaucht so daß sich eine senkrechte
Kompensationskraft ergibt, die direkt die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes
kompensiert. Auch bei Waagen mit Hebelübersetzung (z.B. DE-OS 28 53 074) ist üblicherweise
das Permanentmagnetsystem zylinderförmig und erzeugt eine senkrechte Kompensationskraft.
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Die Zylinderform ergibt für ür das Permanentmagnetsystem aber eine
relativ große Bauhöhe, die durch die Höhe des magnetisch aktiven Materials und die
Dicke der Polpl3i ten auf beiden Seiten gegeben ist. Diese Bauhöhe bestimmt die
Mindesthöhe der Waage. Diese Höhe ist besonders bei direkt kompensierenden Waagen
mit einer Lenker-Parallelführung kritisch, da die Lenker oberhalb und unterhalb
des Permanentmagnetsystems zusätzlich untergebracht werden müssen. Daneben ist die
Zylinderform fertigungstechnisch ungünstig für Materialien - wie die magnetisch
aktiven Materialien -, die sich nicht spanabhebend bearbeiten lassen.
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Weiter ist es aus der US-Patentschrift 3 322 222 bekannt, eine näherungsweise
rechteckige Spule mit waagerechter Achse zu benutzen. Dabei befindet sich die obere
und untere Seite der Spule im waagerecht verlaufenden magnetischen Feld zweier C-förmiger
Permanentmagnete, so daß direkt eine senkrechte Kompensationskraft erzeugt wird.
Auch in diesem Fall ergibt sich eine verhältnismäßig große Bauhöhe. Außerdem ist
die Herstellung C-förmiger Permanentmagneten aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage nach dem Prinzip der
elektromagnetischen Kraftkompensation so weiterzubilden, daß das Permanentmagnetsystem
besonders flach ausgebildet werden kann. Die Form für das Permanentmagnetsystem
soll dabei so ausgebildet sein, daß dieses preiswert hergestellt werden kann und
einen verringerten oder keinen Temperaturkoeffizienten aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spule näherungsweise
eine rechteckige Form hat, daß das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten
magnetisch aktiven Materials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung oberhalb oder/und
unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrücksohluß besteht,
wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und daß zwischen Spule
und Waagschale Mittel zur Kraftumlenkung vorgesehen sind.
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Durch den Aufbau des Permanentmagnetsystems aus rechteckigen Platten
magnetisch aktiven Materials können diese Teile durch einfaches Sägen preiswert
und ohne Verschnitt (Abfall) hergestellt werden. Dies ist deshalb be-
sonders
wichtige da diese Materialien (zum Beispiel Kobalt-Samarium-Legierungen) teuer sind
und sich schlecht bearbeiten lassen. Die näherungsweise ebenfalls rechteckige Form
der Spule ergibt eine optimale Ausnutzung des magnetischen Feldes zur Kompensationskrafterzeugung.
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Durch die Aufteilung des magnetisch aktiven Materials auf zwei, den
beiden längeren Seiten der rechteckigen Spulen zugeordneten Platten wird die durch
das magnetisch aktive Magnetmaterial verursachte Bauhöhe gegenüber einem herkömmlichen
Zylindermagneten auf die Hälfte reduziert. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich
die beiden Platten jeweils oberhalb oder unterhalb der Spule befinden oder ob die.
beiden Platten nochmals aufgeteilt sind, so daß insgesamt vier Platten oberhalb
und unter-.
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halb der längeren Seiten der rechteckigen Spule vorhanden sind.
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Wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Weicheisenrückschluß
des Permanentmagnetsystems ebenfalls aus rechteckigen Platten in Form eines vorne
und hinten offeinen Kastens hergestellt, so lassen sich auch diese Platten einfach
und preiswert durch Sägen herstellen.
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Zweckmäßigerweise wird die Spule möglichst flach ausgebildet, d.h.
mit möglichst geringer Wickelbreite bei großer Wickelhöhe. So kann bei gleicher
Windungszahl und gleichem Drahtquerschnitt der Luftspalt für die Spule am kleinsten
gehalten werden, so daß auch die gesamte Bauhöhe des Permanentmagnetsystems am geringsten
bleibt.
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Um die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes durch die waagerechte
elektromagnetisch erzeugte Kompensations-
kraft zu kompensieren
ist eine Kraftumlenkung notwendig Diese Kraftumlenkung wird vorteilhafterweise so
ausgebildet, daß sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirkt, so daß bereits
eine kleine elektromagnetisch erzeugte Kopensationskraft einer großen Gewichtskraft
das Gleichgewicht halten kann. Dadurch kann der elektrische Strom in der Spule und
das magnetische Feld des Permanentmagnetsystems entsprechend klein gehalten werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Kraftumlenkung durch einen Winkelhebel
erreicht.
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Soll eine leichte Justierbarkeit der Stärke des magnetischen Feldes
möglich sein, so ist es vorteilhaft, die eine Platte des Weicheisenrücksohlusses
durch Justierschrauben zu halten und so durch geringe änderung des Luftspaltes die
Feldstärke auf den gewünschten Wert bringen zu können. Dabei ist es ebenfalls möglich,
durch zweckmäßige Wahl der freien Länge der Schrauben und deren Material die T'emperaturabhängigkeit
der Remanenz des magnetisch aktiven Materials wenigstens näherungsweise durch die
durch den abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schraubenmaterials gegebene
temperaturabhängige Änderung der Luftspaltbreite zu kompensieren.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht der für die Erfindung wesentlichen Teile
der Waage im Schnitt, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Permanentmagnetsystems,
wobei als Spule nur eine Windung symbolisch dargestellt ist.
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Fig. 3 einen Schnitt durch eine spezielle Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems
und Fig. 4 Spule und Permanentmagnet für eine runde Spule (Teil a) und eine-näherungsweise
rechteckige Spule (Teil b) im Vergleich.
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Die in Fig. 1 gezeigte Waage besteht aus einem Stützteil 1> das
fest mit dem - nicht gezeichneten -häuse verbunden ist. An diesem Stützteil 1 sind
zwei Lenker 4 und 5 befestigt, die in Form einer Parallelführung das Verbindungsteil
3 mit der Waagschale 2 senkrecht beweglich führen. Die Lenker 4 und 5 sind entweder
auf ihrer ganzen Länge elastisch oder besitzen elastische Einschnürungen an den
mit 6 gekennzeichneten Stellen und sind auf ihrer restlichen Länge steif. Die vom
Wägegut auf die Waagschale 2 und das Verbindungsteil 3 übertragene Gewichtskraft
wird über ein Koppelband 7 auf den kurzen Hebelarm eines Winkelhebels 8 übertragen.
Der Winkelhebel 3 ist durch ein Kreuzbandgelenk 9 am Stützteil 1 gelagert. Am langen
Hebelarm des Winkelhebels 8 ist an einem isolierten Ansatz 10 die Spule 11 befestigt.
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Sie ist - wie in Fig. 2 perspektivisch mit einer Windung angedeutet
- rechteckförmig mit abgerundeten Ecken und ohne Spulenkörper freitragend gewickelt.
Sie befindet sich zwischen den Polen eines Permanentmagnetsystems, bestehend aus
vier rechteckigen Platten 12 bis 15 des magnetisch aktiven Materials und zwei Platten,
16 und 17 aus Weicheisen als Rückschluß. Die beiden Platten 16 und 17 aus Weicheisen
werden durch zwei seitliche Stege 13 und 19 (Fig. 2) gehalten. Das ganze Permanentmagnetsystem
12 bis 19 ist ebenfalls am Stützteil 1 befestigt. Das magnetisch aktive Material
ist in senkrechter Richtung magnetisiert, die Polung ist beispielsweise so, daß
die beiden Platten 12 und 13 jeweils den magnetischen Nordpol auf ihrer Unterseite
haben, während die beiden Platten 14 und 15 den magnetischen Nordpol auf ihrer Oberseite
haben. Die' magnetischen Feldlinien verlaufen in diesem Beispiel also von der aktiven
Platte 1,2 durch den in Fig. 1 linken
Teil der Spule 11, durch die
aktive Platte 13, weiter durch die Weicheisenplatte 17s durch die aktive Platte
15, dann durch den in Fig. 1 rechten Teil der Spule 11, dann durch die aktive Platte
14 und durch die Weicheisenplatte 16 zurück zur aktiven Platte 12. Die beiden längeren
Seiten der rechteckigen Spule 11 werden also von einem senkrechten magnetischen
Feld durchsetzt, so daß ein Strom in der Spule 11 eine waagerechte Kraft erzeugt.
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Diese waagerechte Kraft greift über den Ansatz 10 am längeren Hebelarm
des Winkelhebels 8 an und hält dort der am kürzeren Hebelarm angreifenden Gewichtskraft
des Wägegutes das Gleichgewicht. Die Einzelheiten der zugehörigen Elektronik mit
Lagensensor und Regelverstärker sind von den bekannten Waagen mit elektromagnetischer
Kraftkompensation her geläufig, so daß auf eine Beschreibung hier verzichtet werden
kann.
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Die Spule 11 ist so gewickelt, daß nur wenige Windungen in vertikaler
Richtung nebeneinander liegen, aber in Umfangsrichtung viele Lagen übereinander.
Dadurch kann der Abstand zwischen den magnetisch aktiven Platten 12 und 13 bzw.
14 und 15 des Permanentmagnetsystems gering gehalten werden, was einmal einer geringen
Bauhöhe des Systems zugute kommt, was zum andern der magnetischen Forderung nach
einem schmalen Luftspalt mit großem Querschnitt entspricht.
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Die etwa rechteckförmige Spule ist zwar in ihrer Herstellung aufwendiger
als eine runde Spule, sie ergibt jedoch bei gleicher Krafterzeugung eine Einsparung
an Magnet- und Spulenmaterial und an elektrischer Leistung (Verlustwärme!), wie
im folgenden anhand der Fig. 4a und 4b erläutert werden soll: Eine runde Spule (111
in Fig.4a) mit dem mittleren Radius R, einer Wickelhöhe H und einer Windungszahl
n in einem 'Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I eine Kraft F der
| Größe: Ir |
| r |
| F = I B J I . dl Y zudl 2 B . 1 . 2 . n . R |
| = B . I = 4 9 n . R ° |
Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei: L = 2 .tr.R . n und die erforderliche Fläche
S der Magnete 112 ist: S= 2 . # . R. H Eine rechteckige Spule(211 in Fig. 4b)mit
den mittleren Seitenlängen a und b, einer Wickelhöhe H und einer Windungszahl n
in einem Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I eine Kraft F der Größe: F w B .
I .2 . a . n Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei: L n 2 o ta + b) n n und die
erforderliche Fläche S der Magneten 212 ist: S = 2 . a . H Wählt man nun die längere
Seite a der rechteckigen Spule gleich dem Durchmesser der runden Spule, also a =
2 und weiter b = a/3, so ergibt ein Vergleich der Formeln, daß in beiden Fällen
die erzeugte Kraft F gleich ist, daß aber die erforderliche Magnetfläche bei der
rechteckigen Spule nur den Bruchteil 2/w = 0,64 der er-
forderlichen
Magnetfläche bei der runden Spule ausmacht und daß die Gesamtlänge des Spulendrahtes
bei der rechteckigen Spule nur den Bruchteil 8/(3 rr ) = 0,85 der Gesamtlänge des
Spulendrahtes bei der runden Spule erreicht. Der Materialaufwand für den aktiven
Teil des Magneten und'für die Kompensationsspule ist also bei einer rechteckigen
Form der Spule geringer als bei einer runden'Form. Die geringere Drahtlänge bei
der rechteckigen Spule führt darüber hinaus zu einem geringeren elektrischen Widerstand
der Spule und so zu einer geringeren elektrischen Verlustleistung.
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Die Länge a der rechteckigen Spule kann einmal etwas größer als die
entsprechende Länge der Platte aus magnetisch aktivem Material sein. Dann ist die
für die Kraft erzeugung wirksame Länge der Spule durch die Platte aus magnetisch
aktivem Material gegeben, so daß Längenänderungen der Spule - beispielsweise auf
Grund lastabhängigem elektrischer Erwärmung - und Einbautoleranzen in erster Näherung
keinen Einfluß haben. Die Länge a der rechteckigen Spule kann zum anderen auch etwas
geringer sein als die entsprechende Länge der Platte aus magnetisch aktivem Material.
Dann bestimmt die Spule die für die Krafterzeugung' wirksame Länge und eine temperaturbedingte
Änderung der Spulenlänge führt bei gleichem Spulenstrom zu einer entsprechenden
Kraftänderung.
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Dies kann z.B.' bei Waagen mit höherer Auflösung zur Temperaturkompensation
des Permanentmagnetsystems mit herangezogen werden. Die Remanenz des aktiven Materials
und damit die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Permanentmagnetsystems nimmt
mit wachsender Temperatur ab, die für die Krafterzeugung wirksame Spulen länge nimmt
aufgrund der Wärmeausdehnung mit wachsender Temperatur zu.
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Voraussetzung ist dabei natürlich, daß die in der Spule umgesetzte
Verlustwärme lastunabhängig gemacht wird, was beispielsweise durch die in der DE-OS
30 02 462 angegebenen Mittel erreicht werden kann, so daß sich die Temperatur der
Spule nur mit der Umgebungstemperatur ändert.
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Eine vollständige Temperaturkompensation läßt sich mit der Ausgestaltung
des Permanentmagnetsystems gemäß Fig.3 erreichen: Die beiden seitlichen Stege 18,19
stützen den oberen weichmagnetischen Rückschluß 16 nicht direkt, sondern sind weiter
hochgezogen und tragen den weichmagnetischen Rückschluß 16 über Justierschrauben
20. Mit Hilfe dieser Justierschrauben 20 wird einmal eine leichte Einstellbarkeit
des Luftspaltes für die Spule 11 erreicht, zum anderen kann das Material der Justierschrauben
20 so gewählt werden, daß die Schraubenlänge mit der Temperatur stärker zunimmt
als die Länge des hochgezogenen Teils des weichmagnetischen Rückschlusses 18,19,
so daß der Luftspalt mit wachsender Temperatur etwas kleiner wird.
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Beispielsweise hat Aluminium einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als Weicheisen. Bei richtiger Dimensionierung der freien Länge der Just'iers'chrauben
20' kann diese temperaturabhängige Luftspaltbreite gerade die mit der Temperatur
abnehmende Remanenz des aktiven Magnetmaterials ausgleichen.
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Die übrigen Details dieses Permanentmagnetsystems und der zugehörigen
Spule entsprechen denjenigen in Fig. 1 und 2.