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Verfahren zur Messung der Verlustziffer von magnetischen Materialien
In
den Zähnen elektrischer Maschinen und neuerdings auch in Transformatoren geht man
mit der magnetischen Beanspruchung auf Induktionen, welche im Scheitelwert I5000
Gauß überschreiten, da eine hohe magnetische Beanspruchung ähnlich wie hohe Frequenz
kleine Abmessungen der Maschinen und Transformatoren ermöglicht.
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Es ist aber nicht einfach, die Verlustziffer der Bleche, welche u.
a. der Erhöhung der Beanspruchung Grenzen setzt, bei Induktionen in der Nähe der
Sättigung zu messen. Die Schwierigkeiten der elektrischen Messung der Verlustziffer
bei hohen Induktionen liegen im geringeren Leistungsfaktor und im hohen Oberwellengehalt
des Magnetisierungsstroms.
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Dies gilt sowohl für das Epsteinverfahren mit Wattmeter als auch für
die Verfahren, welche mit mechanischen Meßgleichrichtern arbeiten. Dieser meßtechnische
Mangel erschwert nicht nur die Prüfung der auf dem Markt vorhandenen Blechsorten
auf ihre Verwendbarkeit bei hohen Induktionen, sondern auch die Entwicklung besonderer,
bei hohen Induktionen verlustarmer Bleche.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Messung der Verlustziffer von Dynamo-
oder Transformatorenblechen, insbesondere bei hohen Induktionen von I5000 bis 20000
Gauß, vorgeschlagen. Dabei werden die in der Volumeinheit durch Wirbelströme und
Hysterese auftretenden Verluste durch den TemperaturdT anstieg ddt gemessen. Das
Blechpaket wird mittels einer darumgelegten Wicklung bis zu einem einstellbaren
Betrag magnetisiert und mittels einer zweiten
darumgelegten Wicklung
mit angeschlossenem mechanischem Meßgleichrichter und Drehspulinstrument der Scheitelwert
der Induktion gemessen. An dem Blechpaket ist ferner ein Thermoelement angebracht,
das in einem Stromkreis mit einem Galvanometer und einem zweiten Thermoelement liegt,
dessen Temperatur konstant gehalten wird. Zur Eichung wird durch die untersuchten
Blechstreifen Gleichstrom oder Wechselstrom geschickt von solcher Größe, daß der
der Temperaturanstieg ddt den gleichen Wert hat wie unter dem Einfluß der Magnetisierung.
Der Absolutwert der Magnetisierungsverluste wird aus dem Gleich- bzw. Wechselstrom
und seinem Spannungsabfall an den Blechstreifen ermittelt. Das Verfahren beruht
also darauf, daß die Anlauftangente der Erwärmungskurve festgestellt wird, und diese
dient in der erwähnten Weise zur Ermittlung der V.erlustziffer.
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Die Erfindung betrifft ein anderes einfaches und verhältnismäßig
genaues Verfahren zur Messung der Verlustziffer von magnetischen Materialien. Erfindungsgemäß
wird die Verlustziffer aus der Erwärmung des Prüflings in der Weise bestimmt, daß
die Abkühlungsgeschwindigkeit während konstanter Zeitabschnitte und danach die Magnetisierung
gemessen wird. Die Messung kann sich dabei bis an die Sättigungsgrenze erstrecken,
und zwar wird mit Thermoelementen, welche im Innern der Blechprobe angebracht sind,
diejenige Temperaturerhöhung gemessen, die durch eine kurze, z. B. eine Minute dauernde
Beanspruchung der Blechprobe mit einer bekannten Induktion hervorgerufen wird. Nimmt
man an, daß während der kurzen Beanspruchungszeit die Wärmeabgabe nach außen vernachlässigt
werden kann, so ist die Temperaturerhöhung: S T V S t (I) c Darin bezeichnet: V
= Verlustziffer in Watt/kg, # t = Beanspruchungsdauer in Sekunden (Einschaltzeit),
C = spezifischeWärme des Eisens in-Watt. s/kg°C.
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Mit V = 1 Watt/kg, d t = 60 s und C = 470 Watt s/kg"C (Eisen) wird
z. B. iI T = o,I3°C. So kleine Erwärmungen können mit Thermoelementen und Spiegelgalvanometer
gemessen werden.
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Tatsächlich kann die Wärmeabgabe (bei kleinen Probequerschnitten
von einigen Quadratzentimetern) auch bei kurzer Einschaltzeit nicht vernachlässigt
werden. Ist die mittlere Abkühlgeschwindigkeit #T #t während der Beanspruchungsdauer
bekannt, so kann man an Stelle der Gleichung (I) genauer schreiben - #T ny = vt
, T + ¼ #t' = C (2) Darin ist iI t' eine etwas verlängerte Einschaltzeit im Intervall
von t, bis t3 (s. Fig. I). Diese Figur zeigt den Temperaturverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit und läßt im übrigen alle Rechnungsgrõßen erkennen. Setzt man statt
der Temperaturänderung nT die zugehörigen Ausschlagänderungen a des Spiegelgalvanometers
(d T = konst d a) ein und mißt man immer bei gleicher Beanspruchungsdauer, so wird
aus Gleichung (2) d + am da + bam (t = konst V. (3) Führt man die Messung einmal
bei I0000 Gauß (V1O) und dann bei einer höheren Induktion (V) aus, so wird aus Gleichung
(3)
Diese Gleichung zeigt, daß das Verhältnis der Verlustziffern lediglich eine Funktion
des Ausschlagwinkels und der Temperaturänderung ist. Ist also die Verlustziffer
V1O bei 10000 Gauß aus einer elektrischen Messung bekannt, so kann die Verlustzifter
V bei höheren Induktionen aus der Gleichung (4) ohne Eichung der Thermoelemente
und ohne Kenntnisse der spezifischen Wärme des Eisens ermittelt werden.
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Da die Temperatur des Eisens während der Zeit dt etwa linear mit
der Zeit ansteigt, kann man bal + ba2 2 setzen, wobei 6a, bzw. da2 die am Spiegelgalvanometer
zu beobachtende Ausschlagsverringerung während einer kleinen Zeit t unmittelbar
vor bzw. nach der Einschaltzeit ist (Fig. I).
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In Fig. 2 ist als Beispiel eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete
Anordnung angegeben. I ist die Eisenprobe, 2 eine Magnetisierungswicklung, die von
einem leistungsfähigen Regeltransformator 3 über einen Schalter 4 gespeist wird.
Der Schalter 4 wird für die Meßzeit geschlossen und die Zeit mittels einer Stoppuhr
überwacht. 5 ist eine Meßspule, die mit einem mechanischen Meßgleichrichter 6 (Vektormesser),
einem Drehspulinstrument 7 und einem Vorschaltwiderstand 8 in Reihe geschaltet ist.
In der Eisenprobe sind Thermoelemente g untergebracht, die mit einer kalten Lötstelle
I0, einem Spiegelgalvanometer II und einer Stromquelle 12 nebst einigen Einstellwiderständen
in Reihe geschaltet ist. Zur Magnetisierung der Eisenprobe kann der Epsteinapparat
oder die an anderer Stelle vorgeschlagene Eisenprüfspule des Vektormessers verwendet
werden. Die Probe wird damit bis zur gewünschten Induktion magnetisiert. Der Magnetisierungsstrom
wird, um sinusförmigen Spannungsverlauf auch bei hohen Induktionen sicherzustellen,
aus dem leistungsfähigen Regeltransformator 3 entnommen und durch den Schalter 4
mit Hilfe einer Stoppuhr eine bestimmte Zeit S t eingeschaltet. Die Induktion (B)
bzw. Magnetisierung (J = B - jtt -uH) wird mit dem Vektormesser 6 und dem Drehspulinstrument
7 an Wicklung 5, die nur wenige Windungen besitzt, gemessen. Dieses Verfahren ergibt
au.ch bei Abweichungen von der Sinusform genau den Scheitelwert der Induktion. In
der Mitte der Eisenprobe sind zweckmäßig vier Thermoelemente aus Kupferkonstanten,
durch eine dünne Ölleinenzwischenlage vom Eisen isoliert, eingebaut.
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Die zweite Lötstelle 10 der Thermoelemente ist in
einen
Paraffinklotz eingegossen. Die Einstellung des Ausschlags des Spiegelgalvanometers
II auf Null erfolgt vor jeder Messung durch Regelung des Spannungsabfalles am niederohmigen
Nebenwiderstand r. Bei Verwendung eines Spiegelgalvanometers vonIo-6 V/Skalenteil
erhält man bei Reihenschaltung von vier Kupferkonstantanelementen einen Meßbereich
von etwa 0,5° C für 100 Skalenteile. Die Anschlüsse der Thermoelemente an Spiegelgalvanometer
II und Nebenwierstand r müssen thermokraftfrei ausgeführt werden; am besten benutzt
man Messingklemmen und Kupferleitungen. und schützt die Klemmstellen durch Watte
vor Luftströmungen.
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Die Messung geht auf folgende Weise vor sich: Man ermittelt zunächst
die Abkühlgeschwindigkeit 8tl , indem man mit der Stoppuhr beispielsweise 15 Sek.
abstoppt und die zugehörige Änderung bal des Galvanometerausschlags abliest. a1
ist nur beim ersten Versuch Null; wenn das Eisen durch wiederholte Versuche angewärmt
ist, hat a1 einen negativen Wert. Darauf schaltet man mit dem Schalter 4 den Magnetisierungsstromkreis
während einer mit der Uhr abgestoppten Zeit (z. B. I Min.) ein und liest während
dieser Zeit die Magnetisierung am Drehspulinstrument 7 ab. Da die Wärme vom Blech
auf das Thermoelement übertragen werden muß, erhöht sich der Ausschlag a nach dem
Öffnen des Schalters 4 noch weiter und erreicht nach der Zeit d t' seinen Höchstwert
(s. Fig. I). Die Temperaturdifferenz zwischen den Zeitpunkten t, und tg ist in den
Formeln mit T bezeichnet. Einige Sekunden nach dem Ausschaltzeitpunkt t3 stoppt
man wieder eine kleine Zeit t ab und mißt die zugehörige Ausschlagverminderung.
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Das Verfahren hat den Vorteil, daß es nur geringe Anforderungen an
die Eigenschwingungsdauer des über die Thermoelemente kurzgeschlossenen Galvanometers
stellt; außerdem hat eine eventuelle Beeinflussung der spezifischen Wärme des Eisens
durch die Magnetisierung keinen Einfluß auf die Messung, da ja während der Zeit
t bis t3 die Magnetisierung Null ist und sich die Temperatur entsprechend dem normalen
Wert der spezifischen Wärme einstellen kann. Schließlich ermöglicht die Zeit von
t2 bis t3 einen gewissen Temperaturausgleich, so daß bei Unhomogenitäten der Verlustziffer
des Bleches besser der Mittelwert gemessen wird. Das Verfahren gibt ferner die Möglichkeit,
das Verhältnis der Verlustziffern bei verschiedenen Induktionen schnell und unbeeinträchtigt
durch den hohen Verzerrungsgrad des Magnetisierungsstromes zu messen.
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Man kann nach dem beschriebenen Verfahren auch absolut messen. Dazu
muß allerdings die spezifische Wärme des Bleches bekannt sein, und es müssen die
Thermoelemente geeicht werden. Da die Induktion am genauesten mit Meßkontakt und
Drehspulinstrument gemessen wird, kann man das gleiche Instrument zur elektrischen
Messung von V,, verwenden und diese Messung als Eichung des thermischen Verfahrens
benutzen. Dies hat den Vorteil daß sich, sofern die Verlustziffer sich quadratisch
mit der Induktion ändert, Fehler in der Absoluteichung des Drehspulinstrumentes
aus der Messung herausheben. Man umgeht auf diese Weise die Eichung der Thermoelemente
und die Messung der spezifischen Wärme des Bleches. Die elektrische Messung von
V,, ist, wie bereits erwähnt, sowohl im Epsteinapparat als auch in der Eisenspule
des Vektormessers einfach und genau.