DE3127939C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prin­ zip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des Wäge­ gutes und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnet­ systems befindet und die Kompensationskraft erzeugt.

Waagen dieser Art sind bekannt und in ihrer üblichen Ausführungsform beispielsweise in der US-PS 40 62 416 be­ schrieben. Dabei ist das Permanentmagnetsystem zylinder­ förmig ausgebildet und erzeugt ein waagerecht verlaufen­ des, radial-symmetrisches Magnetfeld, in das eine Spule mit senkrechter Achse eintaucht, so daß sich eine senk­ rechte Kompensationskraft ergibt, die direkt die senk­ rechte 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.

Die Zylinderform ergibt für das Permanentmagnetsystem aber eine relativ große Bauhöhe, die durch die Höhe des magnetisch aktiven Materials und die Dicke der Polplat­ ten auf beiden Seiten gegeben ist. Diese Bauhöhe bestimmt die Mindesthöhe der Waage. Diese Höhe ist besonders bei direkt kompensierenden Waagen mit einer Lenker-Parallel­ führung kritisch, da die Lenker oberhalb und unterhalb des Permanentmagnetsystems zusätzlich untergebracht wer­ den müssen. Daneben ist die Zylinderform fertigungstech­ nisch ungünstig für Materialien - wie die magnetisch ak­ tiven Materialien -, die sich nicht spanabhebend bear­ beiten lassen.

Weiter ist es aus der US-Patentschrift 33 22 222 be­ kannt, eine näherungsweise rechteckige Spule mit waage­ rechter Achse zu benutzen. Dabei befindet sich die obere und untere Seite der Spule im waagerecht ver­ laufenden magnetischen Feld zweier C-förmiger Per­ manentmagnete, so daß direkt eine senkrechte Kompen­ sationskraft erzeugt wird. Auch in diesem Fall er­ gibt sich eine verhältnismäßig große Bauhöhe. Außer­ dem ist die Herstellung C-förmiger Permanentmagneten aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation so weiterzubilden, daß das Permanentmagnetsystem be­ sonders 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spule näherungsweise eine rechteckige Form hat, daß das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten ma­ gnetisch aktiven Materials mit senkrechter Magnetisie­ rungsrichtung oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrückschluß be­ steht, wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und daß zwischen Spule und Waagschale Mittel zur Kraftumlenkung vorgesehen sind.

Durch den Aufbau des Permanentmagnetsystems aus recht­ eckigen Platten magnetisch aktiven Materials können die­ se Teile durch einfaches Sägen preiswert und ohne Ver­ schnitt (Abfall) hergestellt werden. Dies ist deshalb be­ sonders wichtig, da diese Materialien (zum Beispiel Kobalt-Samarium-Legierungen) teuer sind und sich schlecht bearbeiten lassen. Die näherungsweise ebenfalls recht­ eckige Form der Spule ergibt eine optimale Ausnutzung des magnetischen Feldes zur Kompensationskrafterzeugung.

Durch die Aufteilung des magnetisch aktiven Materials auf zwei, den beiden längeren Seiten der rechteckigen Spulen zugeordneten Platten wird die durch das magne­ tisch aktive Magnetmaterial verursachte Bauhöhe gegen­ über einem herkömmlichen Zylindermagneten auf die Hälfte reduziert. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich die bei­ den Platten jeweils oberhalb oder unterhalb der Spule befinden, oder ob die beiden Platten nochmals aufgeteilt sind, so daß insgesamt vier Platten oberhalb und unter­ halb der längeren Seiten der rechteckigen Spule vor­ handen sind.

Wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Weicheisen­ rückschluß des Permanentmagnetsystems ebenfalls aus rechteckigen Platten in Form eines vorne und hinten of­ fenen Kastens hergestellt, so lassen sich auch diese Platten einfach und preiswert durch Sägen herstellen.

Zweckmäßigerweise wird die Spule möglichst flach ausge­ bildet, 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 ge­ samte Bauhöhe des Permanentmagnetsystems am geringsten bleibt.

Um die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes durch die waagerechte elektromagnetisch erzeugte Kompensations­ kraft zu kompensieren ist eine Kraftumlenkung notwendig. Diese Kraftumlenkung wird vorteilhafterweise so ausge­ bildet, daß sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung be­ wirkt, so daß bereits eine kleine elektromagnetisch er­ zeugte Kompensationskraft einer großen Gewichtskraft das Gleichgewicht halten kann. Dadurch kann der elek­ trische 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.

Soll eine leichte Justierbarkeit der Stärke des magne­ tischen Feldes möglich sein, so ist es vorteilhaft, die eine Platte des Weicheisenrückschlusses durch Justier­ schrauben 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 Temperaturabhängigkeit der Re­ manenz des magnetisch aktiven Materials wenigstens nähe­ rungsweise durch die temperaturabhängige Änderung der Luftspaltbreite, die sich aufgrund der abweichenden Wärme­ ausdehnungskoeffizienten des Schrauben­ materials ergibt, zu kompensieren.

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 Per­ manentmagnetsystems, wobei als Spule nur eine Windung symbolisch dargestellt ist.

Fig. 3 einen Schnitt durch eine spezielle Ausge­ staltung des Permanentmagnetsystems und

Fig. 4 Spule und Permanentmagnet für eine runde Spule (Teil a) und eine näherungsweise recht­ eckige Spule (Teil b) im Vergleich.

Die in Fig. 1 gezeigte Waage besteht aus einem Stütz­ teil 1, das fest mit dem - nicht gezeichneten - Ge­ häuse verbunden ist. An diesem Stützteil 1 sind zwei Lenker 4 und 5 befestigt, die in Form einer Parallel­ führung das Verbindungsteil 3 mit der Waagschale 2 senkrecht beweglich führen. Die Lenker 4 und 5 sind entweder auf ihrer ganzen Länge elastisch oder be­ sitzen elastische Einschnürungen an den mit 6 ge­ kennzeichneten 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 8 ist durch ein Kreuzbandgelenk 9 am Stützteil 1 ge­ lagert. Am langen Hebelarm des Winkelhebels 8 ist an einem isolierten Ansatz 10 die Spule 11 befestigt. 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 Permanentmagnet­ systems, 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 18 und 19 (Fig. 2) gehalten. Das ganze Permanentmagnetsystem 12 bis 19 ist ebenfalls am Stütz­ teil 1 befestigt. Das magnetisch aktive Material ist in senkrechter Richtung magnetisiert, die Polung ist beispielsweise so, daß die beiden Platten 12 und 13 je­ weils den magnetischen Nordpol auf ihrer Unterseite haben, während die beiden Platten 14 und 15 den magne­ tischen Nordpol auf ihrer Oberseite haben. Die magne­ tischen Feldlinien verlaufen in diesem Beispiel also von der aktiven Platte 12 durch den in Fig. 1 linken Teil der Spule 11, durch die aktive Platte 13, weiter durch die Weicheisenplatte 17, 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 Weicheisenplat­ te 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. 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 zuge­ hörigen Elektronik mit Lagensensor und Regelverstärker sind von den bekannten Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation her geläufig, so daß auf eine Be­ schreibung hier verzichtet werden kann.

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 ge­ ring gehalten werden, was einmal einer geringen Bau­ höhe des Systems zugute kommt und zum anderen der ma­ gnetischen Forderung nach einem schmalen Luftspalt mit großem Querschnitt entspricht.

Die etwa rechteckförmige Spule ist zwar in ihrer Her­ stellung 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:

Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei:

L = 2 · π · R · n

und die erforderliche Fläche S der Magnete 112 ist:

S = 2 · π · R · H

Eine rechteckige Spule (211 in Fig. 4b) mit den mittleren Seitenlängen a und b, einer Wickelhöhe H und einer Windungs­ zahl n in einem Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I eine Kraft F der Größe:

F = B · I · 2 · a · n

Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei:

L = 2 · (a + b) · 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 · R, 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 recht­ eckigen Spule nur den Bruchteil 2/π=0,64 der er­ forderlichen Magnetfläche bei der runden Spule ausmacht und daß die Gesamtfläche des Spulendrahtes bei der recht­ eckigen Spule nur den Bruchteil 8/(3π)=0,85 der Gesamtlänge des Spulendrahtes bei der runden Spule er­ reicht. Der Materialaufwand für den aktiven Teil des Magneten und für die Kompensationsspule ist also bei ei­ ner rechteckigen Form der Spule geringer als bei einer runden Form. Die geringere Drahtlänge bei der recht­ eckigen Spule führt darüber hinaus zu einem geringeren elektrischen Widerstand der Spule und so zu einer ge­ ringeren elektrischen Verlustleistung.

Die Länge a der rechteckigen Spule kann einmal etwas größer als die entsprechende Länge der Platte aus ma­ gnetisch aktivem Material sein. Dann ist die für die Krafterzeugung wirksame Länge der Spule durch die Platte aus magnetisch aktivem Material gegeben, so daß Längen­ änderungen der Spule - beispielsweise auf Grund lastab­ hängiger elektrischer Erwärmung - und Einbautoleranzen in erster Näherung keinen Einfluß haben. Die Länge a der rechteckigen Spule kann zum anderen auch etwas ge­ ringer sein als die entsprechende Länge der Platte aus magnetisch aktivem Material. Dann bestimmt die Spule die für die Krafterzeugung wirksame Länge und eine tempe­ raturbedingte Änderung der Spulenlänge führt bei glei­ chem Spulenstrom zu einer entsprechenden Kraftänderung. 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 Spulenlänge nimmt aufgrund der Wärmeausdehnung mit wachsender Temperatur zu.

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 angege­ benen Mittel erreicht werden kann, so daß sich die Tempe­ ratur der Spule nur mit der Umgebungstemperatur ändert.

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 die­ ser Justierschrauben 20 wird einmal eine leichte Einstell­ barkeit des Luftspaltes für die Spule 11 erreicht, zum anderen kann das Material der Justierschrauben 20 so ge­ wählt 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. Beispielsweise hat Aluminium einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Weicheisen. Bei richtiger Dimensionierung der freien Länge der Justierschrauben 20 kann diese temperaturabhängige Luftspaltbreite gerade die mit der Temperatur abnehmende Remanenz des aktiven Magnet­ materials ausgleichen.

Die übrigen Details dieses Permanentmagnetsystems und der zugehörigen Spule entsprechen denjenigen in Fig. 1 und 2.

Claims (7)

1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft­ kompensation mit einer oberschalig gelagerten Waag­ schale zur Aufnahme des Wägegutes und einer beweg­ lichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luft­ spalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems be­ findet und die Kompensationskraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) näherungsweise eine rechteckige Form hat, daß das Permanentmagnet­ system aus rechteckigen Platten (12 bis 15) magnetisch aktiven Materials mit senkrechter Magnetisierungsrich­ tung oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrückschluß (16, 17) besteht, wodurch sich eine waagerechte Kompensations­ kraft ergibt, und daß zwischen Spule und Waagschale Mittel zur Kraftumlenkung (7 bis 10) vorgesehen sind.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weicheisenrückschluß (16 bis 19) kastenförmig mit offener Vorder- und Rückseite ausgebildet ist.

3. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) als Flachspule ausgebildet ist, wobei die Wickelbreite mindestens um den Faktor 2 geringer ist als die Wickelhöhe.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kraftumlenkung (7 bis 10) so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirken.

5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Kraftumlenkung ei­ nen Winkelhebel (8) umfassen.

6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Platte (16) des Weicheisen­ rückschlusses durch Justierschrauben (20) gehalten wird.

7. Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Länge der Justierschrauben (20) zusammen mit deren Material so gewählt ist, daß die durch den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten gegebene temperatur­ abhängige Änderung der Luftspaltbreite die Temperatur­ abhängigkeit der Remanenz des magnetisch aktiven Materials wenigstens näherungsweise kompensiert.