-
"Verfahren und Anordnung zur Prüfung
-
der magnetischen Eigenschaften eines Materials" Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur schne-llen Prüfung der magnetischen Eigenschaften eines weichmagnetischen
Materials, bei welchem Verfahren das Materialmuster in einem Magnetkreis getestet
wird, der genau die Bedingungen reproduziert, unter denen das Material später in
einem Gerät arbeiten soll. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens. Die Erfindung findet Anwendungen in allen Bereichen der Technik
aber insbesondere im Bereich der Uhrcntechnik für die Prtifung von Schrittschaltmotoren,
wie sie in elektronischen Uhren verwendet werden.
-
Bei einem auf magnetischen Phänomenen beruhenden Gerät ist es wichtig,
die Eigenschaften seines Magnetkreises zu kennen, welche häufig von nur einem Teil
des Magnetkreises abhängen.
-
Es ist gerade dieser Teil, den zu prüfen interessant ist. Im Falle
eines Uhrenschrittschaltmotors beispielsweise bildet der Spulenkörper das kritische
Element, dessen Eigenschaften zu kennen wichtig ist, weil er wegen seines geringen
Querschitts der Gefahr der Sättigung unterliegt und dabei den Wirkungsgrad des Motors
verschlechtern kann. Wenn der Magnetkreis aus weichmagnetischem Material besteht,
ist die Permeabilität ß=B/E der Parameter, der das Material am besten charakterisiert.
Sie drückt das Verhältnis zwischen der magnetischen Induktion B im Kreis und der
magnetischen Feldstärke die den Magnetfluß hervorruft, aus.
-
Die Permeabilität kann auch aus der Permeanz A= ß eines Magnetkreises
mit dem Querschnitt S und der Länge 1 hergeleitet werden, der von einem Magnetfluß
# = BS durchsetzt wird, unter der Wirkung einer magnetomotorischen Kraft Ni = Hl,
hervorgerufen durch eine Erregerspule mit N Windungen, die auf dem Magnetkreis aufgewickelt
sind und von einem Strom i durchflossen werden. Aus der Kenntnis der Permeabilität
µ kann man die Permeanz A herleiten und umgekehrt.
-
In einem weichmagnetischen Material selbst hoher Qualität ist das
Verhältnis B und H (oder in äquivalenter Form zwischen # und Ni) nicht eindeutig.
Es wird durch in ich geschlossene Kurven repräsentiert, welche hyster se Zyklen
darstellen, deren Form von der Größe der Erregung und der Messfrequenz abhängt.
-
Die Fig. 1 zeigt typische Kurven. Jeder Zyklus hat den Koordinatennullpunkt
0 als Symetriezentrum und wird begrenzt von Punkten entsprechend maximaler Feldstärke
und maximaler Induktion (+ Hm;# Bm), entsprechend der remanenten Induktion + Br
und der Koerzitivfeldstärke + Hc. Indem man die magnetische Feldstärke H von 0 bis
+Hm einem nichtmagnetisierten Material, bei dem H = B = 0 ist, ansteigen läßt, steigt
die magnetische Induktion B von 0 bis +Bm längs der Kurve a-a, die als Ursprungsmagnetisierungskurve
oder Kurve der ersten Magnetisierung bezeichnet werden soll. Wenn danach H von +Hm
auf 0 verringert wird, durchläuft B den oberen Bogen des Hysteresezyklus und gilt
von +Bm auf die remanente Magnetisierung Br zurück. Sobald H weiter von 0 auf Hin
gebracht wird, geht B durch null, sobald H = Hc ist, womit eine Hälfte des Hysteresezyklus
durchlaufen worden ist. Die andere Hälfte erreicht man durch Vergrößern von H von
Hin auf +Hm Solange das Material nicht magnetisiert ist, wird demgemäß das Verhältnis
zwischen B und H durch die Kurve a-a repräsentiert, deren Form für hohe Werte von
H eine Sättigung- von B zeigt. Die Steigung dieser Kurve ist die Permeabilität µ
des Materials.
-
Da die Kurve der Ursprungsmagnetisierung nicht linear ist, sind die
Permeabilität ß und die Permeanz A Funktionen der Magnetfeldstärke H oder der magnetomotorischen
Kraft Ni. In den Magnetkreisen, wo sich lokale Sättigungen für niedrige Werte von
Ni ergeben können, beispielsweise in jenen'von Schrittschaltmotoren von Uhren, können
die Nichtlinearitäten sehr stark ausgeprägt sein und zu erheblichen Variationen
von ß bzw.
-
A führen.
-
Die magnetischen Eigenschaften eines Materials und das Verhalten
der Vorrichtung,in der es Verwendung finden soll, können abgeschätzt werden, ausgehend
von der Kurve, die für dieses Material die Permeanz A in Abhängigkeit von der magnetomotorischen
Kraft Ni darstellt. Das Verfahren zum Messen der Permeanz, das'im allgemeinen angewandt
wird, ist jedoch ziemlich lang. Es besteht darin, zunächst das Material zu demagnetisieren.
Zu diesem Zweck läßt man es Hysteresezyklen durchlaufen, die immer kleiner werden
und die man erzielt, indem man bis auf Null die Amplitude eines Wechselstroms niedriger
Frequenz abfallen läßt, den man zu diesem Zweck in die auf den Magnetkreis aufgewickelte
Spule einspeist. Die Permeanz A wird danach gemessen durch die in der Spule induzierte
Spannung, welche hervorgerufen wird durch das Einspeisen in die Spule eines kleinen
Wechselstroms, der einem Gleichstrom überlagert wird, wobei der Gleichstrom dazu
dient, die magnetomotorische Kraft Ni zu erzeugen, in deren Abhängigkeit A bestimmt
wird. Neben dem für die Messung benötigten Zeitbedarf, besteht ein weiterer Nachteil
dieses Verfahrens darin, daß mit Sinusverläufen gearbeitet wird, was nicht notwendigerweise
den Wellenformen entspricht, denen das Material bei der beabsichtigten Verwendung
ausgesetzt wird, womit die Messung nur wenig aussagekräftig gemacht wird.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zu seiner Durchführung
bestimmte Anordnung zu schaffen, welche es erlauben, diese Nachteile zu vermeiden,
indem die Prüfung schnell und entsprechend den Bedingungen der späteren Verwendung
des Materials durchgeführt wird.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung diesatAufgabe ergibt sich
aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Demgemäß besteht das Verfahren zur Prüfung
eines maqnetischen Materials darin, daß nach Befestigen einer Materialprob als Teil
eines Magnetkreises ein erster elektrischer Vormagnetisierungsimpuls an die Klemmen
der Spule angelegt wird, um den Magnetkreis auf einen vorgegebenen Remanentmagnetisationswert
zu bringen. Es wird dann ein erster elektrischer Messimpuls an die Spulenklemmen
angelegt und ein erster elcktrischer Strom in der Spule gemessen, der aus dem Anliegen
dieses ersten Messimpulses resultiert. Es wird eine für diesen ersten Messwert repräsentative
erste Information gespeichert. Ein zweiter Messimpuls wird an die Spulenklemmen
angelegt und ein zweiter davon herrührender Strom wird gemessen und eine zweite
für diese zweite Messung repräsentative Information wird gespeichert, und die gespeicherten
Informationen werden kombiniert derart, daß man einen Parameter erhält, der repräsentativ
ist für das geprüfte probeteil des magnetischen Materials. Dieser Parameter ist
vorteilhafterweise die Permeanz des Magnetkreises. Alle diese Prüfarbeitsgänge können
sehr- schnell ablaufen und die Messimpulse können eine Form aufweisen entsprechend
den tatsächlichen Einsatzbedingungen des Materials.
-
Bevorzugte und zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen im einzelnen erläutert werden.
-
Fig. 1 (bereits erwähnt) zeigt typische Hysteresekurven eines magnetischen
Materials sowie die Kurve a-a der ersten Magnetisierung.
-
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung gemäß der Erfindung, verwendet
zum Prüfen des Magnetkreises eines Schrittschaltmotors für eine Uhr.
-
Fig. 3 zeigt als Beispiel die Permeanzkurve des Magnetkreises eines
Schrittschaltmotors für eine Uhr.
-
lig. 4 zeigt im einzelnen den Au£bau der Vorrichtung nach Fig. 2
und Fig. 5 und 6 zeigen Impulsformen, wie sie bei anderen Ausführungsformen der
Erfindung zum Einsatz gelangen.
-
Zunächst wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die schematisch eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung darstellt. In dieser Zeichnung ist die zu prüfende
Probe ein Spulenkörper aus magnetischem Material, auf dem eine Wicklung Platz findct.
Diese Probe wird auf einem Halter 2gestellt , um einen Magnetkreis auszubilden,
der im Falle dieser Zeichnung den Stator eines Schrittschaltmotors für eine Uhr
reproduziert.
-
Eine Erregerspule 3 mit N Wicklungen und einem Widerstand R, bestehend
aus zwei Wicklungsteilen, erlaubt es,einen Magnetfluß 0 in dem Magnetkreis zu erzeugen
im Ansprechen auf eine magnetomotorische Kraft Ni, erzeugt durch die Spule, wenn
sie von einem Strom i durchflossen wird. Ein Generator 5 für elektrische Impulse
ist an die Spule 3 angeschlossen über einen Widerstand 4 vernachlässigbarer Größe,
relativ zu dem des elektrischen Kreises.
-
Um die Probe 1 zu prüfen, wird der Magnetkreis zunächst mittels eines
elektrischen Impulses 6a der Amplitude U, geliefert vom Generator 5, vormagnetisiert.
Der Impuls erzeugt in der Spule 3 einen elektrischen Strom, der seinerseits einen
Magnetfluß hervorruft, hinreichend um den Magnetkreis zu sättigen, unabhängig von
dem Ursprungszustand der Magnetisierung. Nachdem der Strom auf null abgeklungen
ist, behält der Magnetkreis einen vorgegebenen Wert der remanenten Magnetisierung
Br. Der Generator 5 legt dann an die Klemmen der Spule 3 einen ersten Messimpuls
Gb der Amplitude U gleicher Polarität wie der Impuls 6a. Im Ansprechen auf diesen
Impuls entsteht in der Spule ein Strom i', der in Abhängigkeit von der Zeit variabel
ist und beim Durchfließen des Widerstandes 4 an sen Klemmen eine Spannung erzeugt,
deren Größe analog zu dem Strom ist und durch Abtasten in eine Serie von numerischen
Werten mittels des Umsetzers 8 transformiert wird.
-
Diese numerischen Werte,die einen-Messwert-des Strones i' bilden,werden
im Speicher 9 abgespeichert. Der Fluss 0erzeugt durch den Strom i' im Magnetkreis,
kann berechnet werden durch Anwenden des Gesetzes der in einer Spule induzierten
Spannung.
-
Diese Beziehung lautet U --Ri' = Nd0'/dt und man erhält durch Integration
worin jO = BrS die Integrationskonstante ist, t die Zeit ist und x eine ilfsvariable.
Da die Veränderung von i' mit der Zeit eine bekannte Funktion i'= F'(f) ist, erlaubt
die Gleichung 1 die Berechnung des Flusses 0' in jedem Zeitpunkt.
-
Der Fluß kann andererseits in Abhängigkeit von der magnetomotorischen
Kraft Ni' ausgedrnckt werden als
(2) 0'(t) - 0tO = A'Ni'(t) worin
A' die Permeanz des Magnetkreises im vormagnetisierten Zustand ist. Aus den Gleichungen
(1) und (2) kann man leicht die Permeanz A'(t) als Funktion der Zeit ableiten. Es
ist jedoch interessanter, sie in Abhänigkeit von der magnetomotorischen Kraft' auszudrücken.
Zu diesem Zweck ist es erforderlich, eine Anderung der Variablen vorzunehmen derart,
daß t in Abhängigkeit von i' oder von Ni' ausgedrückt wird, indem man setzt t =
f'(Ni'). Indem man dann schreibt i' = i erhält man schließlich für die Permeanz
die
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Magnetkreis danach mittels
eines Impulses 7a derselben Amplitude U, jedoch entgegengesetzter Polarität zu Impuls
6a vormagnetisiert bis zu einem vorgegebenen Wert 13r der remanenten Magnetisierung.
Schließlich wird ein zweiter Messimpuls 7b gleicher Amplitude und gleicher Polarität
wie der Impuls 6b vom Generator 5 an die Spule 3 angelegt, wodurch in dieser ein
Strom i" erzeugt wird. Dieser Strom wird danach im Speicher 9 abgespeichert, nachdem
er in eine Serie von numerischen Werten in der gleichen Weise umgesetzt worden ist
wie oben für den Strom i' beschrieben. Eine identische Berechnung wie die oben angegebene
ergibt für die Permeanz A", entsprechend dem zweiten Messimpuls die folgende Gleichung,
indem l" = i setzt:
Eine Zentraleinheit 10 erlaubt demgemäß die in Speicher 9 abgelegten
Informationen zu verarbeiten, indem man die Gleichungen (3) und (4) für die Berechnung
der Permeanz A' und A" verwendet, wobei die mittlere permeanz A = (A' + A") / 2
berechnet wird und gegebenenfalls bestimmte Einzclwcrtc derselben, etwa der~Maximalwert
der mittleren Permeanz A.
-
Die Ergebnisse können schließlich in Kurvenform umgesetzt werden mit
Hilfe eines Plotters 11 und Fig. 3 zeigt Kurven, die man typischerweise im Falle
eines Schrittschaltmotors für eine Uhr erhält. Wenn es sich darum handelt, einen
charakteristischen Wert abzuleiten, wie beispielsweise das Maximum von A, das eine
Angabe bezüglich des Wirkungsgrades eines Uhrenmotors liefert, ist es einfacher
und schneller, diesen Wert auf einer numerischen Anzeigeanordnung 12 darstellen
zu lassen.
-
Die Anordnung nach Fig. 2 ist in größeren Einzelheitmin Fig. 4 noch
einmal dargestellt. Man erkennt in dieser Figur den Generator 5, der zwei Spannungsquellen
13 und 14 enthält, von denen die erste typischerweise eine Spannung U = 2,5V und
die zweite eine Spannung -U liefert und die beiden Umschalter 15 und 16 können mitHilfe
nicht dargestellter Mittel durch Logiksignale gesteuert werden, die an den Eingang
17 angelegt werden. Sobald die Umschalter 15 und 16 sich in den Positionen 15a und
16a befinden, ist die Spannung an der Ausgangsklemme des Generators 5 null; diese
Spannung beträgt +U, wenn der Umschalter 16 inder Position 16b steht und -U, wenn
die Umschalter in den Position 15b und 16a stehen. Ein Mikroprozessor 19 bekannter
Bauart, beispielsweise vom Typ AIM-65, erfüllt unter anderem die Funktionen des
Speichers 9 und der Zentraleinheit 10 aus Fig. 2. Er umfaßt eine Zentralverarbeitungseinheit
20, üblicherweise mit CPU bzeichnt, welche die Befehle erzeugt und die Berechnungen
durchfiihrt, ferner einen Festwertspeicher 21 mit ROM bezeichnet, i wel-
chem
das für die Funktion der Anordnung erforderliche Programm abgespeichert ist, einen
Randomspeicher 22 mit RAM bezeichnet, welcher es ermöglicht., die gewonnenen Messwerte
und die Berechnungsergebnisse abzuspeichern und schließlich eine Schnittstelleneinheit
22, hier mit E/S bezeichnet, die es ermöglicht, die Informationen zu verteilen,
die zwischen dem Mikroprozessor 19 und den Peripherieeinheiten ausgetauscht werden.
Die Komponenten 21, 22 und 23 sind untereinander durch drei dem Datenaustausch,
also der Adressen und der Befehle, dienende Sammelleitungen verbunden.
-
Der Vorgang der Berechnung zum Bestimmen von A', A" und A wird eingeleitet
durch Niederdrücken eines Knopfes 24. Der Ablauf umfaßt für die Berechnung von A'
die Abfolge der nachstehend genannten operationen: 1) Anlegen eines Logiksignals
an Eingang 17 des Generators 5 durch Komponente 23 derart, daß der Umschalter 16
in die Position 16b kippt und ein Vormagnetisierungsimpuls 6a mit typischerweise
2,5V Amplitude und 7,68 ms-dauer erzeugt wird.
-
2) Anlegen eines Logiksignals an Generator 5 derart, daß der Umschalter
16 in die Position 16b kippt und ein erster Messimpuls 6b erzeugt wird, der ebenfalls
2,5V Amplitude und eine Dauer von 7,68 ms hat. Während dieser Zeit wird der Strom
i, der die Spule durchfließt, gemessen im Widerstand 4 und umgesetzt in eine Serie
von 256 numerischen Werten mittels des Schnellumsetzers 8.
-
3) Ubertragung der numerischen Werte des Stroms i von Komponente
23 zu Komponente 22, wo sie gespeichert werden.
-
4) Verarbeitung der in der Komponente 22 gespeicherten Werte von
i durch Komponente 20 derart, daß man die Permanenz A' erhält, entsprechend der
Beziehung (3), wobei die Befehle für die Abfolge der Berechnungen, die durchzuführen
sind, in der Komponente 21 abgespeichert sind.
-
5) Speichern der 256.berechneten Werte von A' entsprechend der 256
Werte von i in der Komponente 22.
-
6) Bestimmung bestimmter Werte von A', beispielsweise des Maximums
und Speichern dieser Werte in der Komponente 22.
-
7) Ubertragung, durch Komponente 23, der numerischen Werte von i
und A', enthalten in Komponente 22,zu Umsetzern 25 und 26, deren Analogausgänge
mit einem x-y-Schreiber (Plotter) 11 verbunden sind, um A' in Abhängigkeit von Ni
aufzuzeichnen.
-
8) Anzeige eines bestimmten Wertes von A', beispielsweise des Maximums,durch
die Komponente 12.
-
Die Bestimmung der Permeanz A" erfordert kein abweicllendes Programm
mit Ausnahme des Befehls für den Vormagnetisierungsimpuls 7a, dessen Polarität das
Kippen des Umschalters 15 in die Position 15b erfordert. Bei Kennnis von A' und
A" ergibt ein weiterer zusätzlicher Berechnungsschritt die mittlere Permeanz A.
-
Man kann Fig. 1 entnehmen, daß die Permeanz A' längs des Kurvenabschnitts
gemessen wird, welcher die Punkte (0;bs) und (Hm;Bm) verbindet und daß die Permeanz
A" längs des Kurvenabschnitts gemessen wird, welcher die Punkte (Hc ;0) und (Hm;Bm)
eines Hysteresezyklus verbinden.
-
Es gibt weitere Varianten des Messyerfahrens gemäß der Erfindung,-
die sich untereinander im wesentlichen durch den Kurvenabschnitt des Hysteresezyklus
unterscheiden, längs dem die Permeanzen bestimmt werden. Die Fig. 5 zeigt beispielsweise
eine Serie von 3 Impulsen, bei der ein erster Impuls 27a bes-timmt ist, den Magnetkreis
auf einen vorgegebenen Wert Br vorzumagnetisieren. Ein zweiter Impuls 27b wird als
erster Messimpuls verwendet und ergibt die Permeanz A' längs des Bogens (O;Br),
(Hm;Bm). Am Ende dieses Impulses wird der Magnetkreis auf den Wert Br der remanenten
Induktion zurück-
geführt. Schließlich wird ein dritter Impuls
27c als zweiter Messimpuls verwendet und ergibt A" längs des Kurvenabschnitts (O;Br),
(Hc ;0), (-Hm;Bm) des Hysteresezyklus. Wegen der Symmetrie dieses Zyklus bezüglich
des Nullpunktes haben die beiden Kurvenabschnitte, definiert von den Punkten (0;Br),
(-Hc;0), (-H;-Bm) und (0;-Br), (Hci ), ;B,)die gleiche Form und infolgedessen ist
der letzte Wert, festgestellt für A" gleich demjenigen, der vorher bestimmt worden
war.
-
In ähnlicher Weise wird in der letzten Variante, entsprechend der
Impulsserie nach Fig. 6, der Magnetkreis auf den Wert -Br vom Impuls 28a vormagnetisiert
und der erste Messimpuls 28b ermöglicht die Bestimmung von A" auf dem Bogen (O;Br),
(Hc ;0, (Hm;Bm),während der zweite Messimpuls 28c die Bestimmung von A' auf dem
Bogen (0;Br),(Hm;Bm) erlaubt.
-
Es ist schließlich klar, daß die Symmetrieeigenschaften des Hysteresezyklus
es ermöglichen, die Polarität aller Impulse umzukehren, ohne daß sich am Messergebnis
etwas ändert.