Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Meßgeber
zur kontaktlosen Messung des Drehmoments, welches auf eine
stationäre oder rotierende Welle wirkt. In diesem
Zusammenhang ist es wichtig, daß die Welle des Meßgebers
anisotrope Eigenschaften hat. Um in der Welle eine gewünschte
Anisotropie zu erzeugen, wird gemäß der Erfindung ein
Material verwendet, welches eine Mikrostruktur mit
mindestens zwei Phasen hat, die anisotrop verteilt sind.
Stand der Technik, Probleme
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Ein solcher magnetoelastischer Drehmomentmeßgeber ist
bekannt aus der EP-A-464 964. Um eine hohe Empfindlichkeit
und Genauigkeit unter Vermeidung von Drehmoment
Fluktuationen in Abhängigkeit der Winkelstellung der Welle zu
erreichen und um eine geringe Hysterese zu erreichen, wird
vorschlagen, die kraftübertragende Welle, die auch als
Meßwelle dient, mindestens in dem Bereich, der den
magnetischen Pfad bildet, mit einem bestimmten Material zu
versehen, das aus einer Eisen-Aluminiumlegierung in
unorientierter Phase zusammengesetzt ist oder aus einer Eisen-
Aluminiumlegierung, die aus einer gemischten Phase
zusammengesetzt ist, die mindestens zwei Phasen enthält.
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Eine kreiszylindrische Welle, die mit einem Drehmoment
beaufschlagt wird, weist eine reine Scherbeanspruchung auf.
Der Spannungszustand kann beschrieben durch seine
Hauptspannungen werden als eine Druckspannung und eine
Zugspannung, die senkrecht zueinander stehen und gleiche Größe
haben. Die Hauptspannungsrichtungen sind um +/- 45 Grad zu
Erzeugenden der Zylinderfläche geneigt.
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Wenn in einem Meßbereich der Welle ein
rotationssymmetrisches homogenes magnetisches Feld, das heißt ein H-Feld,
mit Hilfe einer umgebenden stationären Erregerwicklung
erzeugt wird, erhält man einen in gleicher Weise homogenen
magnetischen Fluß, das heißt ein B-Feld, in der Welle in
unbelastetem Zustand. Wenn die Welle belastet wird, wird
das Feldlinienfeld des B-Feldes verzerrt, was mit Hilfe
der Meßwicklungen festgestellt werden kann.
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Der Stand der Technik bezüglich der konstruktiven Aufbaus
von Drehmomentmeßgebern wird in einer Anzahl von
Patentschriften und technischen Artikeln beschrieben. Den
meisten dieser Lösungen ist gemeinsam, daß in dem
magnetischen Material zwei Zonen erzeugt werden mit einer
gewissen Anisotropie, welche zur Folge hat, daß die magnetische
Flußdichte unter einem Winkel weg von ihrer natürlichen
Richtung parallel zu den Erzeugenden der
Zylinderoberfläche der Meßgeberwelle abgelenkt wird. In einer Zone fällt
die Hauptrichtung der Anisotropie mit der
Hauptspannungsrichtung, in welcher Zugspannung herrscht, zusammen. In
der anderen Zone fällt die Hauptrichtung mit der Richtung
zusammen, in welcher Druckspannung herrscht.
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Infolge des magnetoelastischen Effekts wird die
Zonen-Reluktanz daher abnehmen oder zunehmen, wo die magnetische
Flußdichte zur Zugspannungsrichtung oder zur
Druckspannungsrichtung abgelenkt wurde im Falle einer positiven
Magnetostriktion. Indem man schließlich die Differenz
zwischen den Reluktanzen dieser Zonen mißt, erhält man ein
Maß für das Drehmoment, das eine geringe Empfindlichkeit
gegenüber achsialen Kräften oder Biegespannungen zeigt.
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Die Reluktanzdifferenz zwischen den Zonen wird gewöhnlich
dadurch gemessen, daß man mittels einer konzentrisch zur
Welle angebrachten primären Spule ein zeitabhängiges H-
Feld erzeugt, welches längs der Welle gerichtet ist und
gleiche Größe in beiden Zonen hat. Mit Hilfe von zwei
identischen Sekundärspulen, einer in jeder Zone, wird die
Differenz der B-Felder zwischen den Zonen gemessen. Dies
erreicht man im einfachsten Fall dadurch, daß die
Sekundärspulen derart gegensinnig zusammengeschaltet werden,
daß die in die Spulen induzierten Spannungen voneinander
subtrahiert werden. Durch phasenempfindliche
Gleichrichtung des in dieser Weise gewonnenen Sekundärsignals ist es
zusätzlich möglich, zwischen Drehmomenten in verschiedenen
Richtungen zu unterscheiden.
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Um eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Drehmomenten zu
erzeugen, wird verlangt, daß die Anisotropie ausreicht, die
Differenz zwischen den Zonen so groß wie möglich zu
machen. Ein Maß für die Anisotropie ist der Winkel, unter
dem das magnetische Feld von der natürlichen Richtung
parallel zu Erzeugenden der Zylinderoberfläche der
Meßgeberwelle unter der Wirkung der Anisotropie abweicht. Wenn
dieser Winkel in den Zonen 45 Grad beträgt, ist die
Anisotropie maximal, da das B-Feld sich dann längs der
Richtungen der Hauptspannungen der mit Torsion belasteten
Meßgeberwelle erstreckt.
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Es ist auch von höchster Wichtigkeit, wirklich eine
vollständige Rotationssymmetrie aufrechtzuerhalten, und zwar
sowohl hinsichtlich der mechanischen
Spannungskonfiguration als auch hinsichtlich der magnetischen
Feldkonfiguration, um Signaländerungen zu vermeiden, die nur darauf
beruhen, daß der Meßgeber relativ zum reluktanzmessenden
Teil gedreht wird.
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Gemäß dem Stand der Technik gibt es eine Anzahl von
Verfahren, um Anisotropie zu erzielen, von denen einige im
Folgenden beschrieben werden sollen.
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SU 667836 beschreibt ein Verfahren, bei welchem die
Anisotropie in jeder Zone rein geometrisch erzeugt wird, indem
nach einem bestimmten Muster Rillen in die Oberfläche der
Welle geschnitten werden. Dieses Muster besteht aus einer
Anzahl zueinander paralleler Linien, die sich unter einem
Winkel von 45 Grad zur Erzeugenden der Zylinderoberfläche
der Meßgeberwelle erstrecken. Diese Lösung bewirkt jedoch
nur eine begrenzte Anisotropie und folglich eine niedrge
Empfindlichkeit, da das magnetische Feld unter die Rillen
"kriechen" kann, wenn die Rillen nicht tief genug sind.
Wenn die Rillen jedoch tief sind, wird die Spannungsgröße
an der Oberfläche der Welle und folglich auch die
Empfindlichkeit vermindert. Außerdem führen die Rillen in der
Oberfläche zu stark vergrößerten effektiven Spannungen am
Boden der Rillen, und daher kann die Welle nur in geringem
Maße belastet werden, bevor ein plastisches Fließen des
Wellenmaterial einsetzt, welches wiederum zu einer
Hysterese in dem Ausgangssignal des Meßgebers führt.
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Die US 4.823.620 beschreibt hinsichtlich der geometrischen
Anisotropie die gleiche Ausführungsform wie oben, jedoch
mit dem Zusatz, daß die Oberfläche gehärtet ist oder mit
Kohlenstoff angereicht ist, um die Hysterese des Meßgebers
zu reduzieren.
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SU 838.448 beschreibt ein Verfahren, bei dem versucht
wurde, die Empfindlichkeit dadurch zu vergrößern, daß man
statt der Anbringung von Rillen ein ähnliches Muster auf
der Wellenoberfläche durch Rändeln anbringt. Auf diese
Weise wird die Anisotropie durch plastische Verformung des
am dichtesten an der Rille liegenden Materials vergrößert.
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Dies verursacht hohe bleibende Restspannungen und folglich
eine geringere Permeabilität längs des Bodens der Rillen
und daher eine Anisotropie magnetischer Natur. Das Problem
eines Fließens des Wellenmaterials wird durch eine solche
Lösung wahrscheinlich vergrößert, obwohl die plastische
Bearbeitung für sich die Fließgrenze heraufsetzt.
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Bei einem Drehmomentmeßgeber gemäß der US 4 506 554 erhält
man Anisotropie durch Verwendung einer Hülse aus
magnetoelastischem Material mit ausgeschnittenen Rillen in den
Hauptspannungsrichtungen. Auf diese Weise kann man
verhindern, daß das magnetische Feld unter die Rillen "kriecht"
wie oben, und man gewinnt eine gewisse Freiheit bei der
Wahl eines Wellenmaterials mit anderen Eigenschaften als
dem Material der Hülse. Das letztgenannte Material muß in
erster Linie mit Rücksicht auf die magnetischen
Eigenschaften gewählt werden.
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Eine andere Realisierung der gleichen Art wird beschrieben
in IEEE Trans Magn, Band MAG-22, No. 5, pp. 403-405, von
Mohn et al. Hier wird eine 100 Mikrometer dicke "Hülse"
mit kontinuierlichen Rillen auf einer Welle aus nicht
rostendem Stahl erzeugt, indem auf die Welle Tröpfchen einer
geschmolzenen magnetoelastischen Legierung über eine Maske
aufgespritzt werden.
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Andere Varianten derselben Methode werden beschrieben, bei
denen Streifen aus amorphem magnetoelastischem Material
aufgeklebt oder auf andere Weise auf einer magnetischen
oder nicht magnetischen Meßgeberwelle in Richtung ihrer
Hauptspannungen aufgebracht wird. Probleme, die auf
bleibenden Restspannungen, Temperaturdrift und so weiter
beruhen, sind bei diesen Konstruktionen oft hinderlich.
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Für Meßgeber, die zur Messung von Drehmomenten verwendet
werden, die stets in ein und derselben Richtung wirken,
ist es im Prinzip ausreichend, nur eine Meßzone auf der
Meßgeberwelle zu haben. In anderen Zusammenhängen und für
spezielle Zwecke können auch mehr als zwei Meßzonen
verwendet werden.
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Die EP 0 270 122 B1 beschreibt einen "Drehmomentmeßgeber",
der auch auf dem magnetoelastischen Prinzip beruht und in
der üblichen Weise Erreger- und Meßwicklungen hat. Die
Meßgeberwelle hat hierbei einen ferromagnetischen
magnetoelastischen Bereich, der aus einer Gruppe von Materialien
gewählt wurde, die aus Eisen-Nickelmartensit besteht,
härtbaren und thermisch gehärteten Stählen, die eine im
wesentlichen isotrope Magnetostriktion aufweisen mit einer
absoluten Menge von mindestens 5 ppm und mit 0,05 bis 0,75
Gewichtsprozent Kohlenstoff und einer ausreichenden Menge
eines Elementes aus der Gruppe Nickel, Chrom, Kobalt,
Titan, Aluminium, Mangan, Molybdän, Kupfer, Bor und
Kombinationen aus diesen Metallen, um den Wert der
Magentostriktion auf mindesten 5 ppm in absoluter Größe zu steigern.
Eine Form der Anisotropie wird hier durch die Erzeugung
bleibender Restspannungen in dem Material mit Hilfe von
Kaltbearbeitung, beispielsweise Drehen oder Walzen,
erreicht.
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Wie oben im Abschnitt "technisches Gebiet" erwähnt,
basiert die Erfindung auf der Verwendung eines Materials für
die Welle des Meßgeber, welches eine Mikrostruktur mit
mindestens zwei Phasen hat, die anisotrop verteilt sind.
Es ist allgemein bekannt, daß ein Beispiel für ein solches
Material eine Stange aus ferrit-austenitischem rostfreiem
Stahl ist. Die Stangenherstellung erfolgt durch stark
gerichtete Verformungsschritte, wodurch die Stange eine
geometrisch anisotrope Mikrostruktur in Form achsial
gerich
teter langer paralleler Streifen aus Ferrit und Austenit
erhält.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein magnetoelastischer Drehmomentmeßgeber gemäß der
Erfindung basiert sowohl auf der Wahl des Materials für die
Welle des Meßgebers als auch auf der Weise, in der die
anisotrope Mikrostruktur des gewählten Material verwendet
wird, um die oben genannte gewünschte Ablenkung der
magnetischen Flußdichte zu erzielen.
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Ein Wellenausgangsmaterial, welches gut verwendet werden
kann, ist das oben genannte Beispiel einer Stange aus
ferrit-austenitischem rostfreiem Stahl. Um dies in
generellerer Weise zu beschreiben, soll das Wellenmaterial eine
Mikrostruktur mit mindestens zwei Phasen haben, von denen
eine Phase relativ weichmagnetisch sein soll und
magnetoelastische Eigenschaften haben soll und mindestens eine
Phase eine beträchtlich geringere Permeabilität haben
soll. Die Mikrostruktur soll geometrsich anisotrop sein
mit - soweit wie möglich - kontinuierlichen schmalen
Streifen aus der magnetisch weicheren Strukturkomponente.
Quer zur Richtung der Streifen sind die weichmagnetischen
Streifen voneinander durch die Phase/Phasen mit geringerer
Permeabilität getrennt, wodurch die resultierende
Permeabilität des Materials anisotrop wird.
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Es gibt eine Anzahl von Möglichkeiten, die gerichtete
Mikrostruktur zu erreichen. Sowohl gerichtetes
Gießen/Erstarren als auch zonenweises Schmelzen, Walzen,
Extrodieren und Zugausübung schaffen einen Mikrostruktur mit
orientierten Streifen. Ein Wellenrohling mit
kontinuierlichen Streifen in einer Richtung kann auch beispielsweise
hergestellt werden durch HIP-Behandlung (isostatisches
Heißpressen) eines Pakets von Drähten, die aus Material
mit bedeutend unterschiedlicher magnetischer Permeabilität
bestehen.
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Damit ein Wellenrohling in der Lage ist, als Meßgeberwelle
in einer Drehmomente messenden Vorrichtung zu arbeiten,
ist es erforderlich, daß, wie oben erwähnt, die gewünschte
magnetische Ablenkung in irgendeiner Weise, vorzugsweise
in Gestalt von Zonen mit einer Anisotropie, die mit den
Hauptspannungsrichtungen, in denen Zugspannungen
beziehungsweise Druckspannungen wirken, in der Welle
hergestellt wird, wenn diese belastet wird. Die aktive Meßzone
hat eine gewisse Tiefe von der Manteloberfläche und zum
Zentrum, welche der Eindringtiefe entspricht, die für ein
teilweise ferromagnetisches Material größer ist als für
ein einphasiges Material mit gleichem elektrischem
spezifischem Widerstand. Da der Winkel, den die Streifen mit
der Erzeugenden bilden, mit dem Radius der Welle sich
ändert und im Zentrum der Welle Null ist, sollte im Falle
einer optimalen Ablenkung der Winkel, den die Streifen mit
einer Erzeugenden der Manteloberfläche bilden, an der
Manteloberfläche etwas größer als 45 Grad sein, damit sie 45
Grad etwas unterhalb der Manteloberfläche im Bereich der
Eindringtiefe beträgt.
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Die Tatsache, daß das Feld bei partiell ferromagnetischem
Material tiefer unter die Oberfläche eindringt, hat auch
den Vorteil zur Folge, daß die Oberflächenqualität die
magnetischen Eigenschaften nicht in gleich hohem Maße
beeinflußt.
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Die Herstellung der gewünschten bevorzugten Richtungen,
das heißt die Verwindung (Torsion) der Struktur, kann auf
vielerlei verschiedener Weise und zu verschiedenen
Zeitpunkten während der Herstellung des betrachteten
Wellenrohlings erreicht werden.
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Der einfachste Weg besteht darin, ein Drehmoment in einer
Richtung auf den Teil der Welle auszuüben, der einer der
Zonen entsprechen soll, und dann ein gleichgroßes
Drehmoment in entgegengesetzter Richtung in dem angrenzenden
Bereich aufzubringen, der der andereren Zone entsprechen
soll. Die bleibenden Spannungen, die auf diese Weise
geschaffen werden, können im Gegensatz zu der notwendigen
verbleibenden Spannung, die in dem oben genannten
EP-Dokument erwähnt ist, durch Entspannungsglühen beseitigt
werden. Die bearbeitete anisotrope Struktur kann so
wiedergewonnen werden. Dieser Prozeß vergrößert die Permeabilität
und damit auch die Empfindlichkeit des Meßgebers.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Meßgebers zur
elektrischen Messung von Torsionsspannungen in einer Welle
gemäß der Erfindung zeigt die beigefügte Figur, welche
einen achsialen Schnitt durch den stationären Teil eines
Meßgebers mit Erreger- und Meßwicklungen sowie äußeren
Jochen zeigt sowie ein Oberflächebild der Welle des
rotationssymmetrischen Meßgebers zeigt, welches Oberflächebild
eine anisotrope Mikrostruktur zeigt.
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Zu dem Meßgeber gehört eine kreiszylindrische Welle 1, in
welcher das Drehmoment gemessen werden soll. Aus dem
obigen wird klar, daß die Meßgeberwelle aus einem Material
bestehen soll, welches eine anisotrope Mikrostruktur hat.
Dies bedeutet, daß der Wellenrohling eine Mikrostruktur
mit mindestens zwei Phasen haben soll, von denen eine
Phase relativ weichmagnetisch sein soll und
magnetoelastische Eigenschaften haben soll und mindenstens eine Phase
eine bedeutend kleinere Permeabilität haben soll. Die
Mikrostruktur soll geometrisch anisotrop sein mit - soweit
wie möglich - kontinuierlichen schmalen Streifen aus der
in stärkerem Maße weichmagnetischen Strukturkomponente.
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Quer zur Richtung der Streifen sind die weichmagnetischen
Streifen durch die Phase/Phasen mit geringerer
Permeabilität voneinander getrennt, wodurch die resultierende
Permeabilität des Materials anisotrop wird.
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Ferner gehört zu dem Meßgeber eine Einrichtung zur
Erzeugung eines achsialen zyklisch mit der Zeit variierenden
magnetischen Feldes in der betrachteten Meßzone. Zu dieser
Einrichtung gehören zwei Primärspulen, gewickelt auf zwei
Spulenkörper 4 und 5, die konzentrisch zu der
drehmomentmessenden Welle 1 angeordnet sind. Die Primärspulen sind
in Reihe geschaltet und an einen Signalgenerator
angeschlossen.
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Im Meßbereich sind zwei Meßzonen 6 und 7 auf der Welle
hergestellt. Dies wurde bespielsweise durch mechanisches
Verzerren der Zonenbereiche in der oben beschriebenen
Weise erreicht. In einer der Zonen ist der achsial
gerichtete magnetische Fluß längs einer der
Hauptspannungsrichtung abgelenkt in der Zugspannung wirkt, wenn die
Geberwelle auf Torsion belastet wird. In der anderen Zone ist
das Feld in entsprechender Weise längs der anderen
Hauptspannungsrichtung abgelenkt, in welcher Druckspannung
wirkt. In der Figur ist die anisotrope Mikrostruktur durch
gestrichelte verzerrte Streifen angedeutet, die, wenn die
Welle aus ferrit-austenitischem rostfreiem Stahl besteht,
die ferritischen Streifen 8 beschreiben. Zwischen diesen
Streifen verlaufen austenitische Streifen 9 mit bedeutend
kleiner Permeabilität.
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Um eine optimale Ablenkung des Flusses zu erreichen, wie
dies im Abschnitt "Zusammenfassung der Erfindung"
beschrieben wurde, ist bei der mechanischen Verwindung der
Zonen ein relativ genau ausbalanziertes Drehmoment
erfor
derlich, welches auf der vorhandenen Wellenabmessung,
mechanischen Eigenschaften und so weiter basiert.
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In üblicher Weise gehört zu dem Meßgeber eine Einrichtung
zur elektrischen Messung der durch die
Torsionsbeanspruchung hervorgerufenen Reluktanzdifferenz zwischen den
Zonen.
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Ein einfaches Verfahren zur Verwirklichung des oben
Gesagten besteht in der Messung des Differentialquotieten des
Flusses in den Meßzonen 6 und 7 mittels zwei
Sekundärspulen 10 und 11, die auf die selben Spulenkörper gewickelt
sind, wie die Primärwicklungen. Durch entgegengesetzte
Reihenschaltung der Sekundärwicklungen wird eine Spannung
erzeugt, die dem Differenzfluß entspricht. Diese Spannung
wird einem phasenabhängigen Gleichrichter zugeführt, der
seinerseits durch die Phase des speisenden
Signalgenerators gesteuert wird. Die höheren Frequenzen des
Ausgangssignals werden in einem Tiefpaßfilter weggefiltert, worauf
man eine Gleichspannung erhält, welches dem die Welle
belastenden Drehmoment proportional ist.
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Um zu verhindern, daß der Drehmomentmeßgeber durch
magnetische oder elektrisch leitenden Gegenstände in seiner
Umgebung beeinflußt wird und um die Empfindlichkeit
gegenüber Drehmomenten zu erhöhen, ist es wünschenswert, das
magnetische Feld so zu begrenzen und zu steuern, daß seine
Erstreckung auf den Bereich um die Drehmoment messenden
Zonen 6 und 7 und die ihnen zugeordneten Reluktanz
messenden Einrichtungen 10 und 11 beschränkt ist.
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Dies wird erreicht, indem die Spulenkörper mit den
Wicklungen von einem Joch aus weichmagnetischen Material
umgeben werden. Das Joch besteht aus einer Hülle 12 und zwei
Polen 13 und 14, welche den Fluß zum Luftspalt an den
En
den des Joches bündeln. Um die Verteilung des Flusses
zwischen den Zonen zu erleichtern und folglich die
Empfindlichkeit zu steigern, ist das Joch auch mit einem Pol 15
zwischen den Spulenkörpern versehen. Außerdem ist das Joch
an seinen achsialen Enden mit ringförmigen Scheiben 16 und
17 versehen, die verhindern, daß der Fluß in achsialer
Richtung heraus streut.