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Magnetanordnung, insbesondere zur magnetischen Aufhängung elektrischer
Meßsysteme
Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur magnetischen Aufhängung elektrischer
Meßsysteme brauchbare Magnetanordnung mit zwei konzentrischen, relativ zueinander
drehbaren zylindrischen Permanentmagneten, die in Richtung ihrer Längsachse magnetisiert
und so angeordnet sind, daß sich die Pole entgegengesetzter Polarität gegenüberliegen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Verhinderung oder wenigstens Verminderung
einer Quermagnetisierung durch etwa auftretende Störfelder. Ferner sol! durch die
Erfindung eine gedrängte Magnetaufhängung geschaffen werden, die im übrigen nicht
zu einer ihrer Hubkraft und Stabilität schädlichen Entmagnetisierung neigt. Erfindungsgemäß
sind zu diesem Zweck an einem oder beiden Magneten querschnittsgleiche magnetisierbare
Kurzschlußteile gleichmäßiger Dicke von hoher Permeabilität und geringer Koerzitivkraft
magnetverlängernd in unmittelbarer Berührung mit dem Magnet ten angebracht, wodurch
quer zur Magnetisierungsrichtung des oder der Permanentmagneten auftretende Magnetfelder
kurzgeschlossen werden.
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Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes zeigt
die Zeichnung, und zwar ist Fig. I ein Längsschnitt durch eine magnetische Aufhängung
für senkrechte Wellen mit einem eine
Quermagnetisierung verhindernden
Kraftlinienkurzschluß in Berührung mit dem oberen Ende des äußeren ortsfesten Permanentmagneten
der Aufhängung, Fig. 2 und 3 Längsschnitte durch einen Teil anderer Ausführungsformen,
wobei der die Quermagnetisierung verhindernde Kurzschluß am unteren Ende bzw. in
der Mitte des äußeren Permanentmagneten der Aufhängung vorgesehen ist, Fig. 4 eine
Schnittdarstellung wie Fig. 2 und 3 einer weiteren Ausführungsform, wobei Kraftlinienkurzschlüsse
sowohl am oberen als auch am unteren Ende des äußeren Permanentmagneten vorgesehen
sind, Fig. 5 ein waagerechter Querschnitt durch die Aufhängungsmagneten, woraus
eine mögliche Quermagnetisierung ersichtlich ist, und Fig. 6 ein Schnitt ähnlich
den Fig. 2 bis 4 durch eine Ausführungsform, bei welcher der innere Magnet mit scheibenförmigen
Kurzschluß teilen versehen ist.
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In den Fig. 2, 3, 4 und 6 sind die Rotorelemente nicht geschnitten,
die übrigen Teile der Aufhängungsanordnung dagegen im Schnitt dargestellt.
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Fig. I zeigt eine magnetische Aufhängung, bei der ein äußerer zylindrischer
Permanentmagnet 2 der Aufhängungsanordnung mit einem eine etwaige Quermagnetisierung
verhindernden Kurzschluß teil in Form einer Ringscheibe I aus nicht permanentmagnetischem
Material, wie z. B. kalt gewalztem Stahl oder weichem Eisen, versehen ist. Dieser
Kurzschluß teil I befindet sich auf dem oberen Ende des Permanentmagneten 2, steht
mit diesem in Berührung und hat den gleichen Innen- und Außendurchmesser wie dieser.
Der äußere Permanentmagnet 2 ist zusammen mit der Ringscheibe I in einem Gehäuse
3 untergebracht, das aus nichtmagnetischem Leitermaterial z. B. im Spritzgußverfahren
hergestellt sein kann und dazu dient, diesen ortsfesten Teil der Aufhängung in dem
Zähler, dem Meßgerät oder der sonstigen Vorrichtung festzuhalten, bei der die Aufhängung
zur Anwendung kommt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Magnet 2 am oberen
Ende der aufzuhängenden senkrechten Welle 4 angeordnet. Das Gehäuse 3 dient fernerhin
zur Befestigung eines Führungsstiftes 5, der sich in der Mittelachse der Anordnung
nach unten erstreckt. Mit dem oberen Teil der drehbaren Welle 4 ist ein innerer
zylindrischer Permanentmagnet 6 verbunden. Die Verbindung besteht aus einem Spritzgußmantel
7 aus nichtmagnetischem Leitermaterial. Der Mantelteil kann auch in Form eines Gerippes
ausgebildet sein.
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Der innere Permanentmagnet hat auf seiner Oberseite eine Ausnehmung,
in welcher eine Führungsbuchse 8 eingesetzt ist, in die der Führungsstift 5 eingreift.
In die Buchse 8 ragt der Führungsstift 5 mit enger, aber nicht dichter Passung (Bewegungssitz,
aber nicht Ruhesitz) hinein, um auf diese Weise das obere Ende der drehbaren Welle
4 zu zentrieren und zu führen. Die äußeren und inneren Permanentmagneten sind in
ihren Axialrichtungen in entgegengesetztem Sinne polarisiert, wie sich dies aus
den Polbezeichnungen tT und S ergibt.
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Die magnetischen Kraftlinien verlaufen im wesentlichen geradlinig.
Die relative Höhenlage wird gewählt, während sich der innere drehbare Magnet genügend
unterhalb der Oberseite des äußeren ortsfesten Magneten befindet, so daß auf die
drehbare Welle und den etwaigen, von der Welle getragenen und nicht dargestellten
Zähler- oder Meßgeräteteil die gewünschte magnetische Hubwirkung ausgeübt wird.
Das untere Ende der Welle kann in bekannter Weise geführt sein.
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Der am oberen Ende des äußeren Magneten 2 angeordnete und mit diesem
in Berührung stehende magnetische Kurzschluß teil I bewirkt eine kleine Verlängerung
des von diesem Permanentmagneten erzeugten Kraftlinienfeldes nach oben. Hierauf
ist bei der relativen Höheneinstellung der inneren und äußeren Permanentmagneten
und des Führungsstiftes 5 Rücksicht zu nehmen. Sonst tritt dadurch jedoch keine
Änderung der zur Aufhängung der Welle 4 benutzten magnetischen Hubwirkung ein, und
es wird auch nicht angestrebt, diese Hubwirkung zu vergrößern. Aufgabe des scheibenartigen,
aus Material von hoher Permeabilität und geringer Koerzitivkraft hergestellten Kurzschlußteiles
I ist, wie schon gesagt, eine Ouermagnetisierung der Permanentmagneten der Aufhängungsanordnung
durch Störfelder zu verhindern oder wenigstens zu vermindern, wie sie beim Gebrauch
von Zählern und anderen Meßgeräten auftreten, und jeden Querkraftlinienfluß des
äußeren Permanentmagneten, wie er zufällig infolge von Magnetisierungsfehlern oder
Ungleichmäßigkeiten in den Magneten oder sonstwie auftreten kann, kurzzuschließen.
Bei einer magnetischen Aufhängung ohne den mit dem äußeren Magneten 2 erfindungsgemäß
in unmittelbarer Berührung stehenden Kurzschluß teil I kann es vorkommen, daß durch
einen starken, stoßweise auftretenden Kraftlinienfluß mit einer quer zur Magnetisierungsachse
der Aufhängungsmagneten verlaufenden Komponente eine Quermagnetisierung hervorgerufen
wird, wie dies beispielsweise die Pfeile in Fig. 5 zeigen. Ist die in dem Permanentmagnetmaterial
in dieser Weise auftretende Quermagnetisierung genügend groß, so hat sie Polarisierungswirkungen,
wie man dies in Fig. 5 aus den Polaritätszeichen N und S ersehen kann. Obwohl die
Querpolarisierung meistens in dem Außenmagneten auftreten wird, so kann sie jedoch
auch in dem inneren Permanentmagneten vorkommen, wenn dieser sich dreht, da der
eine solche Polarisation verursachende Fluß hauptsächlich in Form eines sehr plötzlichen
Stoßes auftritt, der in ungewöhnlichen Umständen, wie z. B. in einem Blitz, seine
Ursache findet. Eine so bewirkte Quermagnetisierung dürfte zwar die Hubkraft der
Aufhängungsanordnung nicht ändern und mag auch im Verhältnis zur Axialmagnetisierung
der Systemmagneten ziemlich gering sein.
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Trotzdem ist die Quermagnetisierung schädlich. und zwar insbesondere
dann, wenn sie in einem Meßgerät, wie z. B. in einem Wattstundenzähler, oder in
einem anzeigenden Meßinstrument auftritt,
wo die magnetische Aufhängung
zur Vermeidung der Lagerreibung von großem Nutzen ist.
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Die Quermagnetisierung erzeugt ein Drehmoment, welches bestrebt ist,
die Welle aus der Relativlage herauszudrehen, in welcher die Quermagnetisierung
ursprünglich stattfand. So bewirkt die in Fig. 5 angedeutete Quermagnetisierung
eine Abstoßung des inneren Magneten und eine Drehung desselben in eine Stellung,
die von der dargestellten um I800 verschieden ist. In dieser letzteren, um I80°
verschiedenen Stellung tritt dann eine Bremswirkung auf. Auf diese Weise wird die
Wattzahl vergrößert, bei der ein Wattstundenzähler zum Anlaufen kommt, so daß bei
bestimmten geringen Belastungen keine Drehung stattfindet. Im übrigen läuft der
Zähler dadurch im Betrieb zu langsam. Bei einem Ausschlagmeßinstrument wird diese
Erscheinung das Instrument aus der Eichung bringen, und zwar insoweit, als cias
auf der Quermagnetisierung beruhende Drehmoment, verglichen mit dem Meßdrehmoment,
eine ins Gewicht fallende Größe hat. Dieser Fehler ist zudem bei verschiedenen Ausschlägen
verschieden.
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Fig. 5 zeigt in allgemeiner Form die vorherrschende Quermagnetisierung,
die bei einem geraden Quermagnetisierungsfeld auftritt, gibt jedoch nicht notwendigerweise
alle Einzelheiten einer solchen Quermagnetisierung wieder. Die Einzelheiten der
Quermagnetisierung dürften sich im übrigen mit der Richtung oder Krümmung des Stoßfeldes,
der Art des permanentmagnetischen Materials und der geometrischen Form solcher Magneten
ändern.
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Die Permeabilität des ring- oder scheibenförmigen Kurzschluß teiles
I ist sehr viel größer als die Permeabilität des Materials, aus dem die Permanentmagneten
gefertigt sind. Infolgedessen werden etwaige magnetische Querkraftlinien der allgemeinen
Richtung gemäß den Pfeilen in Fig. 5 in der Nähe der Aufhängung in großem Maße in
und durch den scheibenförmigen Kurzschlußteil I abgelenkt, wo die Kraftlinien nicht
störend wirken.
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Dies gewährt sowohl dem inneren als auch dem äußeren Magneten der
Aufhängungsanordnung einen wesentlichen Schutz. Sollte eine Quermagnetisierung doch
auftreten, so wird sie sehr viel geringer sein, als wenn kein derartiger Kurzschlußteil
vorhanden wäre, und sie wird sich auch hauptsächlich auf den äußeren Magneten beschränken.
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Der Kurzschlußteil I nach Fig. I kann auch gemäß Fig. 2 am unteren
Ende des äußeren Magneten angeordnet oder gemäß Fig. 3 in die Mitte des letzteren
eingesetzt oder geteilt werden. so daß gemäß Fig. 4 Kurzschlußteile I bzw. Ia in
Form von Scheiben am oberen und am unteren Ende des Permanentmagneten 2 angeordnet
sind. Gewisse Vorteile kann man dadurch erhalten, daß man die Scheibenstärke in
richtiger Weise auf die oben und unten angeordneten Scheiben verteilt. Bei einem
oberen Kurzschlußteil von I,8 mm Dicke hat sich ein unterer Kurzschluß teil von
o,8 mm Dicke als etwas wirksamer erwiesen als ein unterer Kurzschlußteil mit einer
Stärke von I,5 mm.
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In Fig. 6 stellen 9 und Io lamellierte oder scheibenförmige Kurzschluß
teile von hoher Permeabilität für den inneren Magneten 6 dar, die ebenfalls den
Zweck haben, eine etwaige Quermagnetisierung zu verhindern oder zu vermindern.
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Einige Ausführungsformen zeigen sich als wirksamer als andere, und
es hängt dies in gewissem Maße davon ab, wo die Konzentration des stoßweise auftretenden
Ouerkraftfeldes mit Bezug auf die Aufhängungsanordnung gelegen ist.
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Bei der Herstellung, der Polarisierung und Stabilisierung von Permanentmagneten
der in Rede stehenden Art und für den genannten Zweck ist es vorteilhaft, daß die
zylindrischen Magneten in ihren Abmessungen symmetrisch, frei von Hohlräumen und
in bezug auf Material, Polarisation und Stabilisierung einheitlich sind. Durch die
konzentrische Anordnung ist ihr Kraftlinienverlauf unter diesen Bedingungen gleichmäßig
und symmetrisch, und die Aufhängung arbeitet frei von Seitendruck und Hysteresisverlusten.
Es kann vorkommen, daß aus irgendeinem Grunde ein Magnet, wie z. B. ein äußerer
Magnet 2, Verwendung findet, der eine nicht erkannte Ungleichmäßigkeit aufweist,
die dann einen nicht symmetrischen Kraftlinienverlauf hervorruft. In einem solchen
Falle wirkt der Kurzschluß teil I auf den Magneten wie ein Polstück, und er macht
den sonst unsymmetrischen Kraftlinienverlauf symmetrischer. Insoweit bringen also
die beschriebenen Kurzschlußteile unabhängig von ihrer Aufgabe, in der erwähnten
Weise gegen Stoß felder zu schützen, noch weitere Vorteile. Natürlich ist es wesentlich,
daß die Kurzschlußteile ebenfalls symmetrisch und hinsichlich der Mitte des Aufhängungssystems
konzentrisch sind.
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Es sei nun noch auf die Art der Materialien eingegangen, die für
die Permanentmagneten in der vorbeschriebenen Aufhängungsanordnung am besten geeignet
sind, wie z. B. eine Kupfer-Nickel-Kobalt-Legierung, die unter der Kurzbezeichnung
»Cunico« bekannt ist. Es handelt sich hierbei um ein Material von hoher Koerzitivkraft,
das leicht bearbeitet werden kann. Wenn ein solches Material für Permanentmagneten
der Aufhängungsanordnung Verwendung findet, so ist die gewünschte Wirkung der Erfindung
zu erzielen.
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Zweckmäßiger ist jedoch, wenigstens für einen der Aufhängungsmagneten
ein mit Vorzugsrichtung magnetisierbares Material zu benutzen, das in der Richtung
des gewünschten permanentmagnetischen Kraftlinienflusses eine magnetische Vorzugsrichtung
aufweist. Das »Cunico«-Material ist nicht für Magnetisierung mit Vorzugsrichtung
geeignet, und eine Magnetisierung in der Vorzugsrichtung, d. h.
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»anisotropische Eigenschaften« sind deshalb erwünscht, weil permanente
Aufhängungsmagneten, die in ihren Axialrichtungen »anisotropisch« gemacht sind,
schwerer eine Quermagnetisierung annehmen. Es ist daher vorteilhaft, bei der beschriebenen
Aufhängung wenigstens einen permanenten Magneten zu verwenden, der mit Vorzugsrichtung
magnetisiert ist und auch durch den erfindungsge-
mäßen, mit ihm
in Berührung stehenden Kurzschluß teil geschützt ist, welcher mit dem Hauptfeld
in Reihe liegt, jedoch für etwaige Querfelder einen Kurzschluß bildet. Ein permanentmagnetisches,
für diesen Zweck geeignetes Material ist eine leicht zu bearbeitende Kupfer-Nickel-Eisen-Legierung,
die unter der Bezeichnung »Cunife« bekannt ist.
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Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurden Versuche mit verschiedenen
permanentmagnetischen Stoffen und mit verschiedenen Anordnungen des Kurzschluß teiles
bei einer magnetischen Aufhängung in einem Wattstundenzähler angestellt. Dabei wurden
Vergleichsmessungen der für den Anlauf erforderlichen Wattzahl vorgenommen, bevor
und nachdem die Aufhängung einem kräftigen Quermagnetisierungsstoßfeld ausgesetzt
wurde.
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Hierbei zeigte es sich, daß die mit dem Permanentmagneten in unmittelbarer
Berührung angeordneten Kurzschlußteile bei Magneten mit Vorzugsrichtung und verschiedenen
Kombinationen davon hinsichtlich der Verminderung der durch Quermagnetisierung auftretenden
Schwierigkeiten durchweg sehr wirksam sind. Die in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellten
Kombinationen erwiesen sich alle besonders gut. Insoweit »Cunife« Verwendung fand,
war es anisotropisch, d. h. in Verzugsrichtung magnetisiert. Tabelle
| Länge des äußeren Nebenschluß- Dicke Länge des inneren |
| Magneten 10 mm stellung mm Magneten 10 mm |
| Material stellung Dicke Material |
| Cunico oben 1,8 Cunico |
| unten 0,8 |
| Cunife oben 1,8 Cunife |
| desgl. oben 1,8 desgl. |
| unten 0,8 |
| Cunico oben 1,8 desgl. |
| desgl. Mitte 1,8 desgl. |
| desgl. oben 1,8 desgl. |
| Mitte 0,25 |
| unten 1,3 |
In jedem einzelnen Anwendungsfalle können mit der Quermagnetisierung nicht zusammenhängende
Faktoren, wie z. B. der Einfluß von Temperaturänderungen auf verschiedene Arten
von Permanentmagneten, die zu treffende Auswahl beeinflussen. Selbstverständlich
ist es wesentlich, daß die Auswahl der angegebenen permanentmagnetischen Stoffe
so getroffen und auch ihre Stabilisierung eine derartige ist, daß die Aufhängung
ihrem Hauptzweck dienen kann, nämlich das Gewicht eines drehbaren Elements in einer
im wesentlichen festliegenden Aufhängungshöhe zu tragen, gegebenenfalls auch unter
anderen möglicherweise auftretenden Bedingungen.