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Drehmagnet-Instrument mit vorzugsweise waagerecht angeordnetem, als
Drehfahne ausgebildetem Drehteil Die Erfindung betrifft ein Dreheiseninstrument,
das durch die besondere Ausbildung seines Dreheisenteiles sowie durch dessen Anordnung
gegenüber dem feststehenden System außerordentlich einfach und widerstandsfähig
im Aufbau und trotzdem verhältnismäßig leicht und hoch empfindlich wird. Ferner
läßt sich gegenüber dem Gewicht ein verhältnismäßig hohes Drehmoment erreichen unter
gleichzeitig verminderter Auslegung der Amperewindungen. Ein besonderer Vorteil
der Erfindung besteht in einer größeren Skalenlänge und einer nahezu gleichförmigen
Skala. Außerdem kann mit einem Instrument gemäß der Erfindung der wahre Mittelwert
des Stromes angezeigt werden.
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All dies wird gemäß der Erfindung durch einen quermagnetisierten Dreheisenteil
erreicht, der aus einer Legierung hoher Koerzitivkraft besteht und so zwischen den.
Polen eines Elektromagneten angeordnet ist, daß sich eine besonders günstige Kraftverteilung
ergibt. Die Joche des oder der Elektromagneten bestehen vorzugsweise aus einem Material
hoher Permeabilität.
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Bisher hat man bei in ähnlicher Weise wirkenden Dreheisenmeßgeräten,
deren Drehteil aus Weicheisen besteht, die im äußeren Magnetkreis auftretende Ouermagnetisierung
durch Lamellierung des Magneten zu unterdrücken versucht. Die störenden Querfelder,
welche sonst bei -der Ouermagnetisierung auftreten, können beim Gegenstand der Erfindung
keinen Einfluß ausüben, da einmal der äußere Magnetkreis unabhängig von dem quermagnetisierten
Drehteil gestaltet ist und beispielsweise aus hochpermeabilem Stoff besteht, während
zum anderen der Drehteil selbst in seiner Querrichtung magnetisiert ist, was mit
der sonst auftretenden Quermagnetisierung nichts zu tun hat. Die Möglichkeit, den
Drehteil in seiner kürzesten Achsrichtung zu magnetisieren, ist im wesentlichen
durch die Eigenschaften des dabei zu verwendenden Magnetstoffes gegeben.
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Die. Erfindung ist im folgenden an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele,
die in der Zeichnung wiedergegeben sind, beschrieben.
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Abb. r stellt die grundlegende Anordnung des Meßsystems gemäß der
Erfindung dar. Abb. 2 ist eine schaubildliche Darstellung des Meßsystems eines Instrumentes
gemäß der Erfindung.
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Abb. 3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Dreheiseninstrumentes
gemäß der Erfindung.
Abb.6 und 7 stellen zwei Ausführungsbeispiele
in Gestalt von Verhältnisanzeigern dar.
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Abb. 8 und 9 sind abgeänderte Einzelheiten zu einem Gcrät gemäß Abb.
6.
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Gemäß Abb. i bis 3 und 5 bis 7 besteht der Dreheisenteil im wesentlichen
aus einer eizentrisch zur Drehachse angeordneten magnetischen Fahne i i, welche
sich von dem bisher Bekannten dadurch unterscheidet, daß sie quer zur Fläche, also
in Richtung ihrer Dicke, magnetisiert ist. Gemäß Abb. i bildet die Oberfl'.=Iche
der Fahne i i einen Südpol und die untere Fläche einen Nordpol.
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Da sich bekanntlich kurze Magnete verhältnismäßig schnell entmagnetisieren,
ist es wichtig, ein Material zu benutzen, welches eine außergewöhnlich hohe Koerzitivkraft
besitzt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgendein besonderes Material beschränkt;
es hat sich aber eine Legierung als besonders zweckmäßig erwiesen, die aus Silber,
Aluminium und Mangan besteht. Die Koerzitivkraft einer derartigen Legierung beträgt
ungefähr 6ooo Oersted, wodurch sich in ihrer Wirkung und in ihrem Gewicht sehr gute
Instrumente herstellen lassen, die vor allem leichter sind als die gebräuchlichen
Drelleiseninstrumente. Eine besonders geeignete Zusainmensetzung der Legierung besteht
aus angenähert 87 °1; Silber, 4,3 °/° Aluminium und 8,7 °j° Mangan. Diese
Prozentsätze lassen sich in weiten Grenzen verändern.
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Der feststellende Teil des Instrumentes besteht aus einem oder mehreren
Paaren von Polen 12 und i3, die einen Luftspalt 14 bilden, in dem die Fahne i i
sich bewegen kann. Gemäß Abb. i werden die Pole 12 und 13 von Jochen 15 gebildet,
auf die Stromspulen 16 aufgesetzt sind. Die Spulen sind in Reihe geschaltet. Eine
entsprechende Anordnung zeigt Abb. 2, gemäß der ein einziges Magnetjoch 15 und ein
magnetisches Hilfsglied 17 zur Bildung des Luftspaltes 14 gegenüber den Polen 12
Und 13 angeordnet ist. Dementsprechend ist nur eine Spule 16 vorgesehen. Die @1lagnetteile
15 und 17 bestehen vorzugsweise aus einem Material hoher Permeabilität, beispielsweise
einer Nickel-Eisen-Legierung. Die Legierung kann z. B. entweder aus etwa 4.7 °/°
Nickel oder 78,5 °/° Nickel und Eisen bestellen, die für diesen Zweck als ausreichend
angesehen werden kann.
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Gemäß der Ausbildung eines Instrumentes nach Abb. 2 ist die drehbare
Fahne i i auf einer zwischen Lagern laufenden Achse 18 befestigt, die den Zeiger
i9 trägt. der seinerseits über einer Skala 2o spielt. Eine Richtfeder 21 dient zur
Festlegung der Null- oder Ruhe-Inge.
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Gemäß dein in Abb.3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird von dem
einzigen Magnetjoch 15 und dessen Polen 12 und 13 der Luftspalt 14 gebildet.
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Die Wirkungsweise dieser Instrumente kann am besten aus der Betrachtung
zu :A@b. i verstanden «-erden. Die Spulen 16 sind sö geschaltet, daß die Pole 12
Südpole und die Pole 13 Nordpole werden. Läßt man eines der magnetischen
Joche 15 weg, so wird an der Wirkung offenbar nichts geändert, außerdaß etwa der
Abstand oder die Anziehung allein das Drehmoment beeinflussen. Der Südpol an der
oberen Fläche der Fahne i i wird durch den oberen Südpol 12 abgestoßen und durch
den unteren Nordpol 13 angezogen, während die den Nordpol bildende untere
Fläche durch den unteren Südpol angezogen und den unteren Nordpol abgestoßen wird,
wodurch das Bestreben entsteht, die Fahne i i nach links zum Ausschlag zu bringen.
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Da die Winkelbeziehung zwischen den magnetischen Feldern des feststehenden
und beweglichen Teiles während der Bewegung im wesentlichen unverändert bleibt,
ergibt sich eine im wesentlichen gleichmäßige Skala von verhältnismäßig großer Länge.
Da die Magnetfahne dauermagnetisiert ist, so gibt die Zeigerstellung im Falle sich
schnell ändernder Stromwerte -den wahren Mittelwert des in den Windungen fließenden
Stromes an, anstatt von dem quadratischen Mittel abzuhängen, wie es bei Weicheisenfahnen,
die vom Meß,strom magnetisiert werden, der Fall ist. Da sowohl für den Magnetweg
im feststehenden wie im beweglichen Teil blatt- oder bandförmiges Material Verwendung
findet, ergibt sich ein außergewöhnlich leichtes Gerät mit verhältnismäßig hohem
Drehmoment bei geringer Amperewindungszahl.
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Die Anordnung gemäß der Abb. i und 2, bei der sich Anziehung und Abstoßung
auf die Fahne bemerkbar machen, haben den Vorteil, daß sich für einen bestimmten
Luftspalt eine erhöhte Empfindlichkeit ergibt und das Instrument astatisch wird,
d. h. daß es verhältnismäßig wenig durch fremde Felder beeinflußt wird, wie solche
durch Erdmagnetisinus oder andere elektrische Maschinen in der Nähe des Instrumentes
hervorgerufen werden, und zwar infolge einer gegebenen Änderung in der Magnetisierung
des einen magnetischen Joches durch ein Streufeld, welches durch eine entgegengesetzte
Änderung im anderen Joch ausgeglichen wird.
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In Abb. 3 ist eine andere Ausführungsform des Instrumentes gezeigt,
das hier gleichfalls eine Dämpfung besitzt. Da die Fahne i i sich im Luftspalt 14
hin und her bewegt, findet offenbar eine Änderung des Flusses im Joch 15 statt.
Wenn nun eine kurzgeschlossene Windung von vorzugsweise gut leitendem
Material
über einen Teil des Joches gelegt wird, so werden in ihr Wirbelströme erzeugt, die
einen entgegengesetzt wirkenden magnetischen Fluß hervorrufen. Dementsprechend ist
ein Kupferblatt 22 um das Joch gelegt und auf dieses die Spule 16 aus isoliertem
Draht gesetzt.
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In der Anordnung gemäß Abb.4 ist die Achse i8 des beweglichen Teiles
selbst magnetisiert. Da, wie bereits erwähnt, die Achse i8 in diesem Falle aus einem
Material hoher Koerzitivkraft bestehen soll, ist eine Ouermagnetisierung leicht
möglich. Die sich am Umfang, und zwar an gegenüberliegenden Stellen eines Durchmessers
der Achse ausbildenden Pole wirken mit den Polenden i2 und 13 des Joches 15 zusammen.
Die Anordnung ist so getroffen, daß der Zeiger i9 in der Mittellage gehalten wird.
Diese Mittellage kann außerdem, ähnlich wie in Abb.3 dargestellt, durch eine Spiralfeder
festgelegt werden. Es läßt sich jedoch auch ein Gegendrehmoment ohne 'Feder ausüben,
wenn beispielsweise ein Hilfsmagnet 22 angebracht wird, der in entgegengesetztem
Sinne mit seinen Polen 23 und 24 auf die Achse i8 einwirkt, indem er diese in einer
bestimmten Lage festzuhalten bestrebt ist. Zur genauen Einstellung der neutralen
Lage kann der Magnet z2 mittels einer Schraube 25 und einem kreisförmigen Schlitz
26 einstellbar gemacht sein.
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Die Dämpfung des beweglichen Teiles läßt sich durch eine kurzgeschlossene
Windung auf einem der Magnete 15 oder 22 in der zu Abb.3 beschriebenen Weise erreichen.
-Die Dämpfung kann bei der quermagnetisierten Achse iß auch. durch einen sie umgebenden
Zylinder27 ergnzt werden. Sobald die Achse schwingt, entstehen in der Schleife 27
Wirbelströme, die den Schwingungen entgegenwirken. Durch Anordnung einer zweiten
Schleife 28 aus hochpermeabilem Material kann der in der Schleife 27 entstehende
Fluß noch verstärkt werden.
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Zur Messung von Strömen in beweglichen Leitern ist ein Instrument
gemäß Abb. 5 geeignet. Bei dieser Ausführungsform wird das Magnetjoch 15 durch den
im Leiter 29 fließenden Strom magnetisiert, indem es eine Schleife 15' um ihn herum
bildet.
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Der Erfindungsgegenstand läßt sich, wie an den Ausführungsbeispielen
Abb. 6 und 7 gezeigt, als Verhältnismesser verwenden. Gemäß Abb.6 besteht dieser
aus einem Paar feststehender Teile, wie sie in Abb. 3 gezeigt sind. Im Gegensatz
zu Abb. i liegen die Spulen 16 in getrennten Stromkreisen. Die zu vergleichenden
Ströme fließen also in Spulen 16a und 16b, die so geschaltet sind, daß in den Jochenden
12a und 12b gleiche Pole sowie in den Jochenden i 3a und 13b gleiche Pole entstehen.
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Die Polarität der Fahne r i ist so gewählt, daß die obere Fläche die
gleiche Polarität wie die Pole i2a und 12b und die untere Fläche die gleiche Polarität
wie die Pole 13a und 13b aufweist, demnach bewirken die in den Spulen 16¢ und 16b
fließenden Ströme magnetische Flüsse, die eine Abstoßung zwischen der Fahne i i
und den Polen der Jochei 5a und 15b hervorrufen.
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Sowie die Fahne von dem einen Polpaar fortgetrieben wird, nimmt die
Repulsionskraft ab, und sobald sie sich dem anderen Polpaar nähert, steigt die Repulsionskraft,
so daß die Fahne ii in@der einen oder anderen Richtung so weit ausschlägt, bis die
abstoßenden Kräfte def Joche 15a und 15b ausgeglichen sind. Die Stellung des Zeigers
i9 gibt dann das Verhältnis der in'den Spulen 16a und 16b fließenden Ströme an.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 6 kann ein erhöhter Bereich
von Verhältnissen gemessen werden, wenn nahezu die ganze Fahne i i zwischen das
schwächere Polpaar gelangt, und zwar dann, wenn die Feldverteilung von der gemäß
Abb.2 abweicht. Dies kann erreicht werden, wenn die Polspitzen 12a, 12b, 13a und
13b zugespitzt werden oder eines der Polpaare 12a und 12b hochgebogen wird, wie
es in Abb. 8 gezeigt ist. Eine gleiche Wirkung wird erreicht, wenn man die Gestalt
der Fahne gemäß Abb. 9 abändert und die Pole gleicher Polarität weiter auseinander
bringt.
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Zur Dämpfung eines Instrumentes gemäß Abb.6 kann die in Abb.3 gezeigte
Ausbildungsform verwendet werden. Abb.6 zeigt jedoch noch eine andere Ausführungsform
für die Dämpfvorrichtung. Die konische Lagerspitze 3o@ des unteren Achsenendes i8
ist in einem einstellbaren Lager 31 gelagert, das von einer Hülse 32 umgeben ist.
Darin befindet sich eine zähe Flüssigkeit, wie z. B. Biberöl. Diese Flüssigkeit
besitzt einen niedrigen Temperaturkoeffizienten in bezug auf ihre Zähigkeit, so
daß diese ihr Verhalten innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches, in dem das
Instrument angewendet wird, wenig verändert, so daß eine gleichmäßige Dämpfung erzielt
wird.
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Die Ausführungsform gemäß Abb. 7 arbeitet mit zwei feststehenden Gliedern
16a und 16b, die auf zwei kurvenförmig gestaltete Fahnen 11a und ilb einwirken.
Diese sind in der angegebenen Weise dauermagnetisiert, besitzen jedoch einen in
entgegengesetzter Richtung zunehmenden Radius. Wenn die eine der Fahnen in der einen
oder anderen Richtung ausschlägt, ändert sich der wirksame Radius der Polflächen
der Fahnen i ia und
iib derart, dar bei einem bestimmten Strom in
den Spulen 1611 oder iGb das erzeugte Drehmoment entsprechend auf das bewegliche
Element einwirkt.
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In dein dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pole 1211 und i311
ein Süd- und ein Nordpol, während die obere Fläche der Fahne iia ein Nordpol und
die untere Fläche ein Südpol ist. so daß sie angezogen wird, wobei jedoch infolge
des sich ändernden Radius die Anziehungskraft zwischen den Polen i211 und i311 und
der Fahne iia abnimmt. Die Pole i 2b und i -b sind gleichfalls ein Süd- und ein
Nordpol, dagegen ist die Fahne iib umgekehrt magnetisiert und besitzt einen nach
rechts zunehmenden Radius, so dal* sich bei einem rechtsseitigen Ausschlag des Zeigers
eine .stärker werdende Abstoßung gegenüber den Polen 1211 und 13" bemerkbar
macht und das Drehmoment zunimmt. Demnach wird sich zwischen den beiden auf die
Achse i8 einwirkenden Drehinoinenten ein Gleichgewichtszustand einstellen, so daß
die Stellung des Zeigers icj das Verhältnis der in den Spulen i611 und j(_-,b fließenden
Ströme anzeigt.