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Verfahren zur Bestimmung der Verlustziffer ferromagnetischer Werkstoffe
Die
im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
der Verlustziffer ferromagnetischer Werkstoffe bei sinusförmigem Fluß verlauf und
Trennung in Hysterese-und Wirbelstromkreis aus Messungen mit beliebigem Fluß verlauf,
bei denen bei konstanter Frequenz und Maximal induktion die Formfaktoren der Magnetisierungsspannung
verändert sind.
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Bei der Messung der Verlustziffer von ferromagnetischen Werkstoffen
wird allgemein verlangt. daß der Flußverlauf in ihnen einen eindeutig definierten,
vorzugsweise sinusförmigen Verlauf hat.
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Diese Bedingung ist um so schwerer einzuhalten, je höher die Maximalinduktion
ist, bei der gemessen wird, weil bei hohen Induktionen durch die Sättigungsspitze
des Magnetisierungsstroms an den Streuwiderständen der Stromquelle und der Magneitsierungsspule
ein Spannungs abfall hervorgerufen wird.
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Wenn man schon einen definierten Fluß verlauf nicht erzwingen kann,
so muß man wenigstens Kenntnis darüber besitzen, wie groß dile Abweichung des Flußveriaufes
von dem vorausgesetzten, also beispielsweise vom sinusförmigen Flußverlauf ist.
Bei einem bekannten Verfahren wird als Größe hierfür der Querschnitt E:Esin benutzt,
wobei E die mit einem Wechselstrominstrumeint gemessene Effiektivwertspannung ist,
die zu den gemessenen Verlusten gehört, und Estn die berechnete Effektivwertspannung
bedeutet, die bei sinusförmigem Flußverlauf die gleiche Induktionsamplitude hervorrufen
würde, die bei der ge-
gebenen Effektivwertspannung entsteht. Für
diese gilt die Beziehung V2 108 Bampl = # # Esin.
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2# n # q # f In dieser Formel bedeutet: Bampl die Induktionsamplitude,
n die Windungszahl, q den Eisenquerschnitt und f die Frequenz der Erregung. Werden
bei gleichbleibender Induktionsamplitude Verluste messungen bei verschiedenen Formen
des Flußverlaufes, d. h. bei verschiedenem E, ausgeführt, so kann man, wenn man
die Verluste als Funktion des Quotienten E : Esin aufträgt, auf die Verluste bei
sinusförmigen Flußverlauf extrapolieren.
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Nachteile bei diesem Verfahren sind die notwendige Berechnung von
Esin und die Messung von E mit einem Effektivwertmeßgerät. In die Berechnung Esin
geht der Eisenquerschnitt q ein. besteht der Prüfling, wie es meist der Fall sein
wird, aus einem Blechpaket, so ist diese Größe nicht mit ausreichender Genauigkeit
zu erfassen, da der Einfluß des Raumes zwischen zwei Blechen unbekannt bleibt. Auch
das Effektivmeßgerät besitzt nicht die Genauigkeit, die notwendig ist, um die Meßgenauigkeiten
in tragbaren Grenzen zu halten.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird bei einem anderen bekannten
Verfahren ein besonders konstruiertes wattmetrisches Anzeigegerät verwendet, das
einen Eisenkern enthält, dessen magnetische Eigneschaften denen des zu prüfenden
Werkstoffes zumindest sehr nahekommen müssen.
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An dieses Gerät werden sinusförmige Spannungen verschiedener Größe
gelegt und der den Eisenverlusten in dem Gerät entsprechende jeweilige Ausschlag
markeirt. Die Bezifferung der Markierungen entspricht dabei den angelegten Spannungen.
Dieses Instrument wird der den zu prüfenden Werkstoff magnetisierenden Magneti sierungsspule
parallel geschaltet. Die die Magnetisierungsspule speisende Spannung beliebiger
Kurvenform wird nun über Stellglieder so eingestellt, daß sie in dem genannten Instrument
einen Ausschlag hervorruft, der den Eisenverlusten bei einer sinusförmigen Spannung
der an der entsprechenden Stelle angeschriebenen Größe entspricht. Mißt man id bekannter
Weise mit einem Wattmesser die bei dieser Spannung in dem zu prüfenden Werkstoff
auftretenden Verluste, so kann man annehmen, daß eine sinusförmige verlaufende Spannung
der an dem Instrument abllesbarren Größe die gleichen Verluste hervorrufen wird
und die gemessenen Verluste somit dieser sinusförmigen Spannung zuordnet. Nachteilig
dabei ist, daß dieses Verfahren nur dann einigermaßen richtige Werte liefert, wenn
die magnetischen Eigenschaften des Eisenkernes in dem Anzeigeinstrument denen des
zu prüfenden Werkstoffes entsprechen. Ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt, so
muß man den Eisenkern des Instrumentes auswechseln. Die Forderung nach der Auswechselbarkeit
des Kernes verhindert jedoch, daß das Instrument fü eine sehr große Meßgenauigkeit
gebaut werden kann. Das eeiteren erlaubt das bekannte Verfahren nur die Reduktion
der Eiis ! enverlus, te auf eine Magnetisierungsspannung mit sinusförmigem Verlauf.
Insbesondere ermöglicht es ncht, die Eisenverluste bei verschiedenen Formfaktoren
zu ermitteln oder diese in Hysterese- und Wirbelstromverluste aufzuspalten. Derartige
Forderungen werden aber häufig gestellt. Sie lassen sich jedoch mit einem Verfahren
zur Bestimmung der Verlustziffer ferromagnetischer Werkstoffe bei sinusförmigem
Flußverlauf und Trennung in Hysterese- und Wirbelstromverluste aus Messungen mlit
beliebigem Flußverlauf, bei denen bei konstanter Frequenz und Maximalinduktion die
Formfaktoren der Magnetisierungsspannung verändert sind, nach der Erfindung erfüllen.
Es ist gekennzeichnet durch die Messung der arithmetischen Mittelwerte der Magnetisierungsspannung
und einer über ein und dasselbe Effektivwertmeßgerät auf den gleichen Effektivwert
eingestellten sinusförmigen oder zeit-1 ich konstanten Vergleichsspannung mit einem
Präzisions-Kontaktgleichrichter zur Ermittlung des Formfaktors.
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Während für die Messung der Verlustziffer verschiedene Verfahren
bekannt sind, bereitete es bisher immer Schwierigkeiten, den Formfaktor der Magnetisierungsspannung
zu bestimmen, bei dem die Verlustziffermessung erfolgt. Das Verfahren nach der Erfindung
zeigt nun einen Weg, der die Formfaktormessung mit großer Genauigkeit gestattet
und es damit ermöglicht, die Verlustziffer nach den bekannten Verfahren in Abhängigkeit
vom Formfaktor zu messen. Die große Genauigkeit, mit der die Messungen, aus denen
der Formfaktor bestimmt wird, durchgeführt werden, ergibt sich durch die Anwendung
eines Substitutionsverfahrens, durch das alle Fehlermöglichkeiten, die Effektivwertmeßgeräte
aufwisen, vermieden werden.
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Das Verfahren erfordet zwar eine besondere Hilfsppannungsquelle.
Da diese jedoch kaum belastet wird, können hierfür die bekannten Normalspannungsquellen
oder Normalspannungsgeneratoren verwendet werden, wobei bei den letzteren durch
ihren Aufbau eine große Spannungs- und Frequenzkonstanz sichergestellt ist. Die
Konstanz derartiger Spnnungsquellen ist wesentlich größer als die Meßgenauigkeit
von Effektivwertmeßgeräten, so daß die erzelbare hohe Meßgenauigkeit durch Fehler
in den Hilfsspannungsquellen nicht zunichte gemacht wird.
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Die Möglichkeit der sehr genauen Formfaktofmessung nach der Erfindung
gestattet eine Auswertung der Verlustziffermessungen als Funktion des Formfalotors.
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Bei sinusförmigem Flußverlauf setzen sich bekanntlich die gesamten
Ummagnetisierungsverluste V aus Hystereseverlusten VII und Wirbelstromverlusten
Vw zusammen, so daß gilt: V=VH+VW Weicht der Flußverlauf von der Sinusform ab, so
bleiben die Hystereseverluste unverändert, wäh-
rend die Wirbelstromverluste
sich je nach dem Effektivwert der Magnetisierungsspannung ändern.
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Die obige Beziehung geht dann über in die folgende: V' = VH + + Vw'.
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Die Wirbelstromverluste Vw' hängen dabei quadratisch vom Effektivwert
der Magnetisierungsspannung ab gemäß der Gleichung:
Zwischen Effektivwert Ueff, Mittelwert UM und Formfaktor Je der Spannung besteht
die Beziehung Ueft = Je UM.
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Hält man bei den Messungen die Maxima, li ! nduktion konstant, so
ist auch der Mittelwert UM der Magneti sierungsspannung konstant, und man erhält
wobei 1,11 der Formaktor bei sinusfPrmigem Flußverlauf ist. Damit werden die Gesamtverluste
Trägt man also die bei verschiedenen Formfaktoren Je gemessenen Verluste V'als Funktion
von
auf, so erhält man eine gerade Linie, welche bei Je = 1,11 die auf sinusförmigem
Flußverlauf bezogenen Verluste V ergibt und die bei Extrapolation auf fe = 0 den
Hysteresanteil VH der Gesamtverluste auf der Ordinatenachse abschneidet. Es läßt
sich also nicht nur die gemessene Verlustziffer auf sinusförmigen Flußverlauf beziehen,
sondern sie läßt sich auch in einen Hysterese- und einen Wirbelstromanteil aufspalten.
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Für diese Trennung wurde bisher ein analoges Verfahren, bei dem statt
des Formfaktors die Frequenz variiert wird, benutzt. Die Variation des Formfaktors
läßt sich experimentell bequemer durchführen als die Variation der Frequenz.
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In dem Diagramm Fig. I ist das Verfahren an dem Beispiel zweier Messungen
dargestellt. Im Falle der Kurve 1 wurde ein Transformatorblech mit einer Induktion
von I5 000 Gauß magnetisiert; die normale Messung erfolgte bei einem Verhältnis
Durch Vorschalten einer Luftdrossel wurde
künstlich auf den Wert 2,6 erhöht. Die Extrapolation auf
(S inusform) ergalieine: Vealustziffer V15 = 2,6W/kg, während bei Extrapolation
auf
sich für den Hystereseanteil Vn = 2,3 W/kg ergab. Der Wirbelstromanteil Vw der Verluste
war also bei diesem hochlegierten Blech nur etwa 1 1 0/o.
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Bei einem weniger hoch legierten Dynamoblech (Kurve II) ergab sich
auf ähnliche Weise bei 17000 Gauß und Magnetisierung längs der Walzrichtung ein
Wirbelstromanteil der Verlustziffer von etwa 25%. Die Reduktion der bei diesem Blech
ohne künstliche Zusatzverzerrung gemessenen Verluste ergab V17' = 9,35 W/kg, auf
Sinusform bezogen V17 = 8,7 W/kg, d. h. etwa 7% weniger.
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Die angegebene Berechnung setzt aber eine genaue Bestimmung des Formfaktors
voraus. Sie erfolgt dabei entsprechend der Erfindung nach dem in Fig. 2 dargestellten
Verfahren. An den Klemmen 1, 2 wird die in ihrem Formfaktor unbekannte Magnetisierungsspannung
ux angelegt.
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3 ist ein Umschalter, 4 ein verstellbarer Widerstand, 5 ein Thermoumformer,
6 ein Drehspulinstrument. Außerdem ist ein präzisions-Kontaktmeßgleichrichter 7,
bei dem Kontaktzeit und Phasenlage der Kontaktzeit einstellbar sind (Vektormesser),
vorhanden. Der Meßgleichrichter 7 kann durch einen Schalter 8 kurzgeschlossen werden;
er liegt in Reihe mit einem festen Widerstand g und einem Drehspulinstrument 10.
Der Umschalter 3 gestattet, die Meßgeräte dieser Schaltung wahlweise an die Spannung
unbekannten Formfaktors bzw. an eine sinusfürmige Hilfsspannung un zu legen, die
mittels eine Transformators 11 einstellbar ist. Die Messung geht in der Weise vor
sich, daß der arithmetische Mittelwert der in ihrem Formaktor unbekannten Magnetisierungsspannung
ux mit dem Meßgleichrichter 7 und dem Drehspulinstrument 10 (Ausschlag α)
und ihr Effektivwert über den Widerstand 4 und den Thermoumformer 5 in dem Drehspulinstrument
6 (Ausschalg ß) gemessen wird. Um die Fehler des Thermoumformers auszuscheiden,
werden aber nicht diese beiden Werte zur Ermittlung des Formfaktorns herangezogen.
Es wir vielmehr nur der sehr genau meßbare arithmetische Mittelwert der Formfaktorbestimmung
zugrunde gelegt und sein Verhältnis zu dem arithmetischen Mittelwert einer auf den
gleichen Effektivwert eingestellten Hilfsspannung un gebildet. Der Umschalter 3
befindet sich daher zunächst in der rechten, gezeichneten Stellung. Der Widerstand
4 wird so eingestellt, daß sich auf dem Drehspulinstrument 6 der Vollausschlag ß
= 100 Skalenteile ergibt. Dann wird der dem Mittelwert der magnetisierungsspannung
ux entsprechende Skalenausschlag cr, am Drehspulinstrument 10 abgelesen.
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Sodann wiird der Umschalter 3 in die linke Stellung umgelegt und
jetzt die sinusförmige Hilfsspannung un so verändert, daß am Drehspulinstrument
6 wieder derVollausschlag fl = 100 Skalenteile auftritt, so daß die Effketivwerte
der Spannungsen un und ux einander gleich sind. gleichzeitig wird der mittelrwer
dieser Spannung am Drehspulinstrument 10 mit einem Ausschlag an abgelesen.
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Der Formfaktor der Magnetisierungsspannung Um ist dann fs = 1,111
# αn/αx.
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Verwendet man statt einer sinusförmigen Hilfsspannung eine Gleichspannung
(Formaktor fe = 1,00), so erhält man fe = αn/αx.
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Hierbei muß die Kontaktschließzeit des Medgleichrichters 7 genau
eine halbe Periode (180°) sein. Von dieser Bedingung kann man sich frei machen,
wenn man den Meßgieichrichter 7 bei der Messung der Gleichspannung mit einem Schalter
8 überbrückt; man erhält dann fe = 0,5 a5 Bei dem angegebenen Verfahren fallen die
Eigenfehler des Thermoumformers aus der Messung heraus. Statt eines Thermoumformers
kann auch ein anderer Effektivwertmesser, z. B. ein Dynamometer oder ein elektrostatischer
Spannungsmesser henutzt werden. Auch in diesem Fall werden alle mit der Effektivwertmessung
verbundenen Fehlermöglichkeiten ausgeschaltet. Man kann auch den Vorwiderstand g
für beide Messungen so einstellen, daß α = αx wird. Der Formfaktor folgt
dann aus dem Verhältnis der eingestellten Widerstände 4 und 9.