-
Drehmagnetmeßgerät zur Messung elektrischer Stromstärken
Die Erfindung
bezieht sich auf ein Drehmagnetmeßgerät zur Messung elektrischer Stromstärken, das
mit einem stabförmigen, geraden, in Längsrichtung magnetisierten Dauermagneten versehen
ist, der fest auf einem gegen die Kraft einer Drehfeder drehbaren Drehstift sitzt
und mit einem über eine Skala laufenden Zeiger verbunden ist, sowie zwei auf einen
Weicheisenkern wirkende vom gleichen Strom durchflossene Stromspulen aufweist.
-
Es sind Drehmagnetmeßgeräte bekannt, die einen geraden Dauermagneten
haben, der an beiden Enden je einen Magnetpol besitzt und fest auf einem Antriebsstift
angeordnet ist, sowie zwei Polstücke aus Weicheisen aufweisen, welche sich diametral
zu beiden Seiten des Antriebsstift, es gegenüberlegen und durch den zu messenden
Strom so erregt werden, daß dadurch der Dauermagnet entgegen der Wirkung einer Feder
verschwenkt wird, wobei. diese Verschwenkung mit Hilfe eines auf dem Antriebsstift
sitzenden Zeigers und einer Gradeinteilung angezeigt wird.
-
Bei einigen dieser Meßgeräte bestehen die Polstücke, von denen das
eine durch den zu messenden Strom als Süd- und Idas andere als Nordpol erregt wird,
aus isolierten Teilen geringer Länge. Beim Fehlen des Stromes wird der Dauermagnet
durch die Feder in einer Stellung gehalten, in der seine
Pole den
gleichnamigen Polen der Polstücke unter Belassung eines geringen Luftspaltes gegenüberliegen.
Wird ein Strom durch das Meßgerät geschickt, dann werden dadurch der Dauermagnet
und der Zeiger verschwenkt, und zwar bis zu einem Halbkreis, wenn die Stromstärke
von Null bis auf einen mit dem Gerät meßbaren Maximalwert ansteigt. Das Verschwenken
des Dauermagneten und des Zeigers erfolgt bei diesen Meßgeräten sehr ungleichmäßig.
Bei schwachen Strömen finden, bedingt durch die Nähe der gleichnamigen Pole des
Dauermagneten und der P-oistücke,großeVerschwenkunden statt. Die magnetischen Reaktionskräfte
ändern sich aber sehr l. angsam, wenn sich die Pole des Dauermagneten in dem Abschnitt
befinden, der zwischen den Polstück. liiegt. Mit zunehmender Stromstärke gelangen
die Pole des Dauermagneten in die Nähe der gleichnamigen Polstücke, so daß die Magnetpole
dann plötzlich angezogen werden.
-
Dabei bewegt sich der Zeiger infolge einer verhältni.smäßig wenig
erhöhten Stromstärke über die Gradeinteilung. Der Arbeitsbereich des Meßgerätes
ist verhältnismäßig begrenzt.
-
Es sind ferner Drehmagnetme5geräte bekannt, die diesen Nachteil nicht
aufweisen. Hierbei sind die Polstücke so ausgeführt, daß der Ausschlag des Dauermagneten
und derjenige des Zeigers bei jeder Stromstärke im Arbeitsbereich des Meßgerätes
beliebig fixiert werden kann. Die Polstücke weisen hier ebenfalls isolierte Teile
auf, die aber wesentlich größer sind und den Teil des Anschlagkreises umfassen,
der von dem entsprechenden Pol des Dauermagneten innerhalb des Arbeitsbereiches
des Gerätes bestrichten wird, wobei die Stärke des Luftspaltes von der Anfangsstellung,
in der der Dauermagnet durch die Feder gehalten wird, bis zur Endstellung laufend
abnimmt. Der Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß sie schwierig herzustellen
sind, da die Innenfläche eine Form haben muß, die erfahrungsgemäß schwer zu bestimmen
ist und mit großer Genauigkeit ausgeführt werden muß, wenn nur eine sehr kleine
Luftspaltänderung vorhanden sein soll.
-
Von den bekannten Ausführungen unterscheidet sich die Erfindung vor
allen Dingen dadurch, daß der Weicheisenkern aus zwei geschlossenen, konzentrisch
angeordneten, ringförmigen Körpern besteht, welche durch. zwei d : i. ametral augeordnete,
radial oder nahezu radial gerichtete, als Träger der Stromspulen dienende Weicheisenstege
verbunden sind, von denen der als Rückschlußring für den magnetischen Fluß dienende
äußere Ring praktisch konstante Ringbreite aufweist, während der dem Drehmagneten
gegenüberliegende innere Ring nach innen durch eine Kreislinie begrenzt ist, die
der Bewegungsbahn der Außenenden des Drehmagneten mit kleinstem, durchweg gleichbleibendem
Abstand parallel verläuft, und aus zwei je eine Hälfte dieses Ringes bildenden,
sichelformigen, ohne Unterbrechung ineinander übergehenden gleichen Bereichen so
besteht, daß die beiden breitesten und schmalsten Stellen eines jeden Sichelbereiches
an der Ansatzstelle der beiden Stege münden, und daß die Polen den des Drehmagneten
in Nullstellung den schmalsten Stellen eines jeden Sichelbereiches gegenüberstehen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist der
Weicheisenkern aus Kernblechen derart aufgebaut, daß jedes Blech nur aus zwei Teilen
besteht, von denen der mit Eingriffstellen für dieStege versehene Anßenring den
einen Teil darstellt, während der Innenring einschlißlich der Stege die zweite Einheit
bildet.
-
Ein nach der Erfindung ausgebildetes Drehmagnetgerät vermeidet die
Nachteile der erwähnten Ausführungen unter Beibehaltung der Vorteile und ist vor
allen Dingen leichter und einfacher herzustellen. Bei der Herstellung braucht nur
der innere Umfang eines Weicheisenringes maschinell und mit großer Genauigkeit bearbeitet
zu werden, in dem der Dauermagnet mit sehr geringem gleichbleibendem Zwischenraum
drehbar gelagert ist. Diese Bearbeitung erfolgt im ununterbrochenen Arbeitsgang.
Entsprechend den Beziehungen, die zwischen der Stromstärke und der jeweiligen Winkellage
des Dauermagneten zu den Polstücken bestehen sollen, wird der äußere Umfang des
Weicheisenringes maschinell bearbeitet. Diese Bearbeitung erfordert aber keine hohe
Genauigkeit, da kein Luftspalt zwischen dem Außen ring -des Weicheisenringes und
einem benachbarten Teil, sondern nur die Permeabilität der verschiedenen Querschnitte
des Ringes berücksichtigt zu werden braucht.
-
Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung des auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigt
Fig. 1 und 2 jeweils eine Seitenansicht und einen Grundriß des Drehmagnetmeßgerätes.
-
Fig. 3 einen ähnlichen Grundriß bei weggelassenen oberen Teilen,
Fig. 4 und 5 eine Seitenansicht und einen Grundriß der Grundplatte, Fig. 6 einen
Grundriß des Dauermagneten, Fig. 7 und 8 im Grundriß die Teile Ides zusammengesetzten
Kernes, Fig. 9 im Grundriß den oberen Teil des in den Fig. I und 2 wiedergegebenen.
Gerätes und Fig. 10 im Grundriß die Lage des Magneten zum zusammengesetzten Kern,
wenn kein Strom durch die Spulen fließt, Der leichte Träger (Fig. 4 und 5) des Gerätes
besteht aus einer Grundplatte 1 mit einer kreisförmigen Öffnung 2, die an zwei diametral
einander gegenüberliegenden Stellen mit zwei Langlöchern in Verbindung steht. Auf
der Unterseite der Platte ist ein Lager 3 befestigt. Die Platte I trägt auf der
Oberseite vier Stehbolzen 4. Ein gerader Dauermagnetstab 5 von der in Fig. 6 dJargestellten
Form und von verhältnismäßig geringer Dicke sitzt fest an einem Drehstift 6 (Fig.
1), der im Lager 3 drehbar gelagert ist und von einer Feder 7 in einer Drehrichtung
beeinflußt wird.
-
Die Drehbewegung des Magneten kann gegebenenfalls durch einen Anschlag
in der von der Feder bestimmten Richtung begrenzt werden, und zwar an der Stelle,
wo die Feder ganz entspannt ist. Der
Stift 6 trägt einen Zeiger
8 (Fig. I). Ein Kranz (Fig. 7), der aus Blech von hoher Permeabilität besteht und
die gleiche Dicke wie der Magnetstab 5 hat, ist auf der Innenkante mit zwei einander
diametral gegenüberliegenden Schlitzen 10 und 11 versehen. Dieser Kranz ist dadurch
Schrauben 12 und I3 auf der Grundplatte befestigt (Fig. 2 und 3).
-
Ein aus Blech hoher Permeabilität bestehender Spulenträger 14 (Fig.
8), der die gleiche Dicke wie der Alagnetstab 5 und der Kranz 9 hat, wird von einem
Kranz gebildet, dessen innere kreisförmige Öffnung einen Durchmesser aufweist, der
sehr wenig größer ist, als die Länge des Stabmagneten 5.
-
Der Kranz besteht aus zwei sich diametral gegenüberliegenden, allmählich
breiter werdenden Segmenten und ist außlen an den Verbindungsstellen zwischen diesen
Segmenten durch zwei Haltearme I5 und I6 verlängert, die gegenüber der Richtung
des zugehörigen Durchmessers beispielsweise um 18° geneigt sind. auf den beiden
Armen 15 und 16 sitzen zwei Spulen I7 und 18, die nacheinander von dem zu messenden
Strom durchflossen werden. Der Spulenträger 14 sitzt mit den Spulen 17 und 18 in
der Öffnung 2 der Grundplatte I. Die Enden der beiden Arme 15 und I6 greifen genau
in die Schlitze 10 und 11 des Kranzes 9 ein (Fig. 7). Die magnetische Verbindung
zwischen dem Kranz 9 und dem Spulenträger 14 wird durch zwei dünne Scheiben aus
Blech hoher Permeabilität ergänzt. die auf den Rändern der Schlitze 10, 1 1 und
den Enden der Arme I5, I6 durch zwei dicke Scheiben I9, 20 und durch Schrauben 21,
22 festgedrückt sind. Eine obere, gemäß Fig. ausgebil'dete Brücke 23 ist auf den
Stehbolzen 4 mittels Schrauben befestigt. In der Mitte der Brücke ist Idas obere
Ende des Drebstiftes 6 gelagert. Die gesamte Vorrichtung ist dann wie in den Fig.
I und 2 dargestellt ausgebilCdet. Der bewegliche Teil, der den Magneten 5, den Drehstift
6 und den Zeiger 8 umfaßt, ist mit einem Dämpfer versehen. der vorteilhaft unter
der Platte I um das Lager 3 herum in der in Fig. I angedeuteten Weise angeordnet
sein kann. Der Dämpfer kann auch in einer Verlängerung des Rahmens Aufnahme finden
oder in einem Gehäuse angeordnet sein, das außerdem den beweglichen Teil enthält
und derart ausgebildet ist, daß es im unteren Teil des Rahmens Platz findet.
-
Ein Gleich. richter. bekannter Art, der im Rahmen angeordnet ist,
ergänzt das Gerät, wenn es zum M. essen von Wechselströmen dienen soll.
-
Die Wirkungsweise ist folgende: Solange die Spulen I7 und I8 stromlos
sind, befindet sich der Magnet 5 in der in Fig. 10 dargestellten Lage, in welcher
die Feder ganz entspannt ist, und in der er gegebenenfalls durch den Anschlag entgegengesetzt
zum Pfeil G und entgegen der Wirkung der Anziehungskraft festgehalten wird, die
auf seinen Pol S Idurch die Weicheisenmasse an der Stelle S des Kranzes 14 ausgeübt
wird. Fließt durch die Spulen ein Strom, so wird der Magnet 5 entgegen der Wirkung
der Feder in Richtung des Pfeiles G verschwenkt. Der unter der Einwirkung der sich
aus den verschiedenen Stromstärken ergebenden Kräfte auftretende Ausschlag ist das
Ergebnis der beschriebenen Wirkung und des Unterschiedes zwischein den Schwankungen
der Durchlässigkeit des aus Hartstahl bestehenden Magneten 5 und der Weicheisenbleche
des durch den Kranz g und den Spulenträger 14 gebildeten Kernes.
-
Die Induktion B, die bei einem geringen Wert des Induktionsfeldes
H sehr groß ist, nimmt nämlich für die Bled bei stärker werdendem H immer weniger
zu. Für Hartstahl ist dagegen B bei. schwachem H verhältnismäßlig gering und wächst
wesentlich, wenn das Feld H stärker wird.
-
Fließt durch die Spulen ein Strom von geringer Stärke, so tritt der
in den Spulenkernen entstehende Fluß an den breiten Teilen des Spulenträgers 14
aus einem Kern in den anderen und kehrt durch den Kranz 9 zurück. Da ferner die
Permeabilität der schmalen Teile dles Spulenträgers 14 ziemlich groß ist, ist dieser
Magnetkreis fast ganz geschlosslen. Für einen gleichen Wert von H erhält somit die
InduktionB einen größeren Wert als bei den bekannten Geräten. Da auch die Pole der
Spulen äußerst nahe an den Polen des Magneten liegen, wird eine starke mechanische
Wirkung auf die Pole des Magneten ausgeübt.
-
Bei stärkerem Strom in den Spulen und wegen der Induktion findet
der Fluß in den schmalen Teilen des Spulenträgers 14 keinen genügenden Durchgangsquerschnitt
mehr. so daß die Durchlässigkeit dieser Teile, infolge Zunahme der entsprechenden
Reduktanz, rasch abnimmt.
-
Dagegen nimmt die Durchlässigkeit des Magnet ten mit der allgemeinen
Induktion etwas zu. Del Fluß verteilt sich dann entgegengesetzt proportional zur
Reduktanz der beiden Durchgänge auf diesen Magneten und auf die breiten Teile des
Spulenträgers 14.
-
Wächst die Stromstärke noch weiter, so wird der Magnet selbst gesättigt.
-
Der Zweck dieser Sättigung bei derart hohen Stromstärken besteht
darin, die übermäßigen Ausschläge zu vermeiden, die ohne diesen Ausgleich bei der
starken Annäherung zwischen dem Pol S des Magneten 5 und dem Pol N der Spule I8
entstehen würden, wodurch auch die Skala in Richtung der oberen Werte übermäßig
gestreckt würde.
-
Die breiteren Stellen des Spulenträgers wirken ferner im Sinne einer
Verstärkung des Flusses mit dem Ausschlag des Magneten, dessen Pole beständig in
Richtung eines größeren Querschnittes des Kranzes angezogen werden.
-
Durch diese Ausbildung des Kranzes ergibt sich eine magnetmechanische
Wirkung mit einer Verstärkung des Flusses während des Ausschlagens des beweglichen
Teiles.
-
Schl.ießlich wird durch die Drehbewegung des Magneten eine Verkürzung
des Magnetkreises durch Kurzschließen der breiten Stellen des Spulenträgers 14 bewirkt.
-
Der Magnetkreis muß normal unter einer Induktion von 10 000 bis I2
000 Gauß arbeiten, jedoch ist es angebracht, diese Induktion bis auf 15 000 Gauß
zu erhöhen, wenn man eine genügend rasche
Sättigung der schmalen
Stellen des Spulenträgers I4 wünscht. In diesem Fall muß der Durchmesser des Kranzes
und in entsprechender Weise auch der Nutzquerschnitt der Spulen vergrößert werden.
-
Aus den vorbeschriebenen Anordnungen und der Wirkungsweise ergeben
sich für das Gerät gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Meßgeräten die folgenden
Vorteile: a) Stärkere Abstoßung zu Beginn als bei einem üblichen elektromagnetischen
Gerät. b) Mehrere gleichzeitige Einwirkungen, und zwar Abstoß'ung, Anziehung, verstärkende
magnetmechanische Wirkung des Magnetflusses und Verkürzung des Magnetkreises mit
der Verschwenkung des beweglichen Teiles. c) Leichter beweglicher Teil, weil das
Gewicht des- Magneten 240 bis 300 Milligramm betragen kann. d) Absolutes Gleichgewicht
des Magneten. e) Gleichheit der auf die beiden Pole ausgeübten Kräfte, die im wesentlichen
eine tangentiale Richtung über den ganzen Ausschlag von annähernd I200 des beweglichen
Teiles haben. f) Gute Belüftung der Spulen, die nur mit dem unteren Teil im Rahmen
sitzen. g) Möglichkeit, ohne Nebenschluß eine verschiedene Meßskala durch Parallelschalten
der Spulen zu erzielen. h) Gute Belüftung des Magnetkreises durch die schmalen Stellen
des Spulenträgers, die an vier Seiten der freien Luft ausgesetzt sind. i) Sofortige
Ableitung aller im Magnetkreis entstehenden Wärme durch den sehr gut wärmeleitenden
Aluminiumrahmen.
-
Die unter a) bis d) angegebenen Merkmale ver-1eihen dem erfindungsgemäßen
Meßgerät vor allen Dingen eine große Empfindlichkeit.
-
PATENTANsPRÜcUE.
-
I. Drehmagnetmeßgerät zur Messung elektrischer Stromstärken, ausgestattet
mit einem slabförmigen, geraden, in Längsrichtung magnetisierten Dauermagneten,
der fest auf einem gegen die Kraft einer Drehfeder drehbaren Drehstift sitzt und
mit einem über eine Skala laufenden Zeiger verbunden ist, und mit zwei auf einen
Weicheisenkern wirkenden, vom gleichen Strom durchflossenen Stromspulen, dadurch
gekennzeic'hnet, daß der Weicheisenkern aus zwei geschlossenen, konzentrisch angeordneten,
- ringförmigen Körpern besteht, welche durch zwei diametral angeordnete, radial
odier nahezu radial gerichtete, als Träger der Strom spulen dienende Weicheisenstege
verbunden sind, von denen der als Rückschlußring für den magnetischen Fluß dienende
äußere Ring praktisch konstante Ringbreite aufweist, während der dem Drehmagneten
gegenüberliegende innere Ring nach innen durch eine Kreislinie begrenzt ist, die
der Bewegungsbahn der Außenenden des Drehmagneten mit kleinstem, durchweg gleichbleibendem
Abstand parallel verläuft, und aus zwei je eine Hälfte dieses Ringes bildenden,
sichelförmigen, ohne Unterbrechung ineinander übergehenden gleichen Bereichen so
besteht, daß die beiden breitesten und schmalsten Stellen eines jeden Sichel'bereichs
an der Ansatzstelle der beiden Stege münden, und daß die Polenden des Drehmagneten
in Nullstellung den schmalsten Stellen eines jeden Sichelbereichs gegenüberstehen.