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Anordnung zur Ermittlung der magnetischen Spannung an magnetisierten
ferromagnetischen Probekörpern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur
Ermittlung der magnetischen Spannung an einem magnetisierten ferromagnetischen Probekörper
durch magnetische Kompensation des durch die magnetische Spannung in einem Pfad
der Meßeinrichtung hervorgerufenen magnetischen Flusses.
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Aus der magnetischen Spannung können die magnetische Feldstärke und,
wenn gleichzeitig die in einer auf der Probe aufgebrachten Induktionswicklung induzierte
Spannung bekannt ist, die Eisenverluste berechnet werden. Werden die Messungen bei
verschiedenen Erregerstromstärken durchgeführt, so lassen sich auch die Magnetisierungskurve
und die Verluste als Funktion der Induktion bestimmen.
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Zur Durchführung derartiger Messungen werden bisher beispielsweise
Einrichtungen verwendet, bei denen die Eisenprobe mit einer an eine Wechselstromquelle
angeschlossenen Primärwicklung und einer Sekundärwicklung versehen wird. Die Größe
der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung ist dann ein Maß für die Maximalinduktion
des Flusses im Eisen.
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Bei diesen bekannten Verfahren werden im allgemeinen eine von dem
Magnetisierungsstrom J und eine von der Sekundärspannung U der Probe abgeleitete
Spannung gegeneinander kompensiert. Nach einer anderen bekannten Ausführung wird
die Primärwicklung der Eisenprobe mit der Primärwicklung einer praktisch verlustfreien
Gegeninduktivität in Reihe geschaltet und die Messung mit einem phasenempfindlichen,
grundwellenselektiven Meßgerät durchgeführt. Dabei wird der von der BlindkomponenteJ
sin ç des Primärstromes herrührende Anteil der Sekundärspannung U der Gegeninduktivität
kompensiert, indem die Sekundärspannung der Gegeninduktivität über das
Meßgerät
der Sekundärspannung eines regelbaren Spannungswandlers entgegengeschaltet wird,
dessen Primärwicklung an die Sekundärwicklung der Eisenprobe angeschlossen ist,
und sodann der verbleibende, von der Wirkkomponente J cos f des Primärstromes herrührende
Anteil der Sekundärspannung der Gegeninduktivität gemessen wird. Die Eisenverluste
ergeben sich dann als Produkt aus der Sekundärspannung U und der Wirkkomponente
J cos .
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Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Eisenverluste
ist, daß die Meßergebnisse von Eisenuntersuchungen an Probestücken von festgelegter
Form und Größe nur bedingt für die Berechnung, Beurteilung und Prüfung von Wechselstromapparaten
verwendet werden können, wenn es sich um Kerne mit größerer Streuung und mit verzweigten
Eisenwegen handelt (z. B. Drosselspulen, Zählerkerne, Meßgeräte, Maschinen)-. Einfache
und doch genaue Verfahren, die die Aufnahme der magnetischen Größen auch an einem
fertigen Eisenkern unter betrieblichen Verhältnissen gestatten, werden aber von
der Praxis gefordert.
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An einem fertigen Eisenkern ist aber nur die magnetische Spannung
zwischen zwei Punkten einer exakten Messung zugänglich. Diese beiden Punkte werden
sich in praktisch allen Fällen so wählen lassen, daß zwischen ihnen eine Induktionswicklung
auf den Kern gebracht werden kann, so daß auch die in dieser Wicklung induzierte
Spannung zur Berechnung der gesuchten Größen zur Verfügung steht. Zur Messung der
magnetischen Spannung zwischen zwei Punkten einer Probe ist es bekannt, an diese
Punkte die Enden einer an ein elektrisches Meßgerät angeschlossenen Spule von konstantem
Querschnitt und konstanter Windungszahl pro Längeneinheit zu legen und bei Wechselstromerregung
des magnetischen Kreises den Ausschlag des Meßgerätes abzulesen, der ein Maß für
die magnetische Spannung ist. In der bekannten Ausführung ist dieses Verfahren für
die Messung der Magnetisierungskurve und der Eisenverluste nicht geeignet, weil
es, ähnlich wie ein Voltmeter im elektrischen Stromkreis, nur die Größe, aber nicht
die Phasenlage des magnetischen Spannungsabfalles angeben kann. Um ihn für diese
Zwecke verwendbar zu machen, könnte man die auftretende elektrische Spannung mit
einem Vektormesser messen oder in einem komplexen Kompensator mit der EMK an einer
Sekundärwicklung auf der Meßstrecke vergleichen, wie man sonst die Erregeramperewindungen
heranzieht.
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Von dieser Möglichkeit hat man bisher anscheinend deswegen nicht Gebrauch
gemacht, weilder magnetische Spannungsmesser in seiner Ausführung mit unmagnetischem
Wicklungskern wenig empfindlich ist und in der Ausführung mit einem Kern aus magnetischem
Stoff zwar höhere Empfindlichkeit besitzt, aber in erregtem Zustand einen Zweigfluß
ableitet, Änderungen des Streuflusses an den Ansatzstellen hervorruft, ein eigenes
Streufeld ausbildet und Fehler durch Permeabilitätsunterschiede längs des Bügels
in die Messung hineinträgt. Die letztgenannten Nachteile ließen sich nur vermeiden,
wenn der Meßfühler selbst keinen magnetischen Fluß führt. Eine Anordnung zum Messen
der Kennwerte magnetischer Teile, bei denen die den Prüfling enthaltende Meßstrecke
frei von dem magnetischen Fluß bleibt, ist zwar auch bekannt. Es handelt sich dabei
um ein Prüfjoch mit mehreren Stegen. In einen Steg wird der Prüfling als Ganzes
eingesetzt. Durch eine auf einem anderen Steg sitzende Hilfsspule wird nun der magnetische
Fluß in dem den Prüfling enthaltenden Steg so verändert, daß dieser Steg fiußfrei
wird. Die Größe der dazu erforderlichen Erregung der Hilfsspule ist dann ein Maß
für die magnetischen Eigenschaften des Prüflings. Aber auch diese bekannte Anordnung
ist nicht geeignet, die Untersuchungen unter betriebsmäßigen Bedingungen zu ermöglichen;
denn es ist auf diesem Wege nicht möglich, z. B. die Eisenverluste beliebig geformter
Proben bei den im praktischen Betrieb vorkommenden Magnetisierungsverhältnissen
zu messen.
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Die Nachteile, die allen bisher bekannten Verfahren anhaften, werden
mit der Anordnung zur Ermittlung der magnetischen Spannung an einem magnetisierten
ferromagnetischen Probekörper durch magnetische Kompensation des durch die magnetische
Spannung in einem Pfad der Meßeinrichtung hervorgerufenen magnetischen Flusses nach
der Erfindung vermieden, die gekennzeichnet ist durch die Verwendung eines an sich
bekannten, aus einem biegsamen Meßbügel aus magnetischem Material mit einer Spannungswicklung
bestehenden magnetischen Spannungsmesser, der in an sich bekannter Weise auf die
Punkte des mit Wechselstrom magnetisierten Probekörpers, zwischen denen die magnetische
Spannung ermittelt werden soll, aufgesetzt ist, und durch eine zusätzliche auf den
Meßbügel aufgebrachte Stromwicldung, durch die ein Wechselstrom fließt, der so einstellbar
ist, daß der Meßbügel praktisch feldfrei ist, und durch ein mit dieser Wicklung
verbundenes Meßgerät zur Messung der Größe des Wechselstromes und des Phasenwinkels
zwischen ihm und der in einer auf die Meßstrecke des Probekörpers aufgebrachten
Induktionswicklung induzierten Spannung und durch ein mit der Spannungswicklung
verbundenes Nullinstrument zur Anzeige des feldfreien Zustandes.
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Es ist dabei vorteilhaft, die Wicklungen gleichmäßig über die gesamte
Länge des Meßbügels, der zweckmäßig aus Eisenlitzendraht besteht, zu verteilen.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung ist davon ausgegangen, daß das
Ohmsche Gesetz für den magnetischen Kreis C H ds = k Zm (H= (H = magnetische Erregung,
f H ds = magnetische Spannung, 0 = Induktionsfiuß,Z,, = magnetischeLeitfähigkeitundk
= Konstante) auch für jeden Teilabschnitt eines magnetischen Kreises gilt. Bei Wechselstrom
setzt sich der magnetische Spannungsabfall aus zwei Komponenten zusammen, nämlich
aus den Feldamperewindungen, die den Induktionsfiuß bestimmen und mit ihm in Phase
sind, und den Verlustamperewindungen, die den Feldamperewindungen in ihrer Phase
um 900 voreilen. Mißt man daher den magnetischen Spannungsabfall an den Enden des
betrachteten Teilabschnittes sowie den Induktionsfluß in ihm nach Größe und gegenseitiger
Phasenlage, so stellt die Feldkomponente die zu dem Kraftfiuß gehörige magnetische
Erregung,
also einen Punkt der Magnetisierungskurve, dar, während
aus der Verlustkomponente der gesamte Eisenverlust errechnet werden kann.
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Der Meßvorgang ist folgender: Der Strom in der Wicklung auf dem Bügel
wird in seiner Größe und Phasenlage so lange verändert, bis das Nullinstrument keinen
Ausschlag zeigt. Nach diesem Abgleich ist der Bügel feldfrei. Der Parallelweg ist
unwirksam, und die magnetischen Übergangswiderstände an den Befestigungsstellen
des Bügels sind ohne Einfluß auf das Meßergebnis. Die für diesen Abgleich benötigten
Amperewindungen sind entgegengesetzt gleich dem gesuchten magnetischen Spannungsabfall
an der Meßstrecke.
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Zur Messung des Induktionsfiusses in der Meßstrecke sind auch auf
dieser einige Windungen aufgebracht, die den Kern eng umschließen und über seine
Länge gleichmäßig verteilt sind. Die in dieser Wicklung induzierte elektromotorische
Kraft ist dem mittleren Kraftfluß im Kern proportional. Aus der Größe dieser EMK,
der Größe des Kompensationsstromes und dem Phasenwinkel zwischen beiden Größen können
bei bekannten Windungszahlen der Wicklungen und bekannten Eisenabmessungen der Meßstrecke
die magnetische Feldstärke, der Induktionsfluß, die magnetische Induktion sowie
die gesamten und spezifischen Eisen verluste rechnerisch ermittelt werden. Wiederholt
man dieselbe Messung für verschiedene Erregungen des Probekörpers, so erhält man
die Magnetisierungskurve (Induktion als Funktion der Erregung) und die Verluste
in Abhängigkeit von der Induktion.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Zeichnung beschrieben.
Der zu untersuchende Kern I wird über die Spule 2 mit einer Windungszahl s2 erregt.
Den Erregerstrom J1 liefert ein Drehstromnetz RSTO mit der Frequenz f. Er kann in
seiner Größe, die an einem Meßinstrument 3 abgelesen wird, durch einen Stromregler
4 verändert werden. An die Meßstrecke AB mit der Länge tFe und dem Querschnitt qre
wird ein biegsamer Bügel 5 aus einem Eisenlitzendraht angelegt. Der Bügel trägt
eine Stromwicklung 6 mit einer Windungszahl s8 und eine Spannungswicklung 7 mit
s7 Windungen. Zur Vermeidung von Streuungen und zur sicheren Bestimmung des feldfreien
Zustandes erstrecken sich beide Wicklungen gleichmäßig über die ganze Länge des
Bügels. Von den beiden Wicklungen dient die Spannungswicklung zur Anzeige des feldfreien
Zustandes im Bügel, während über die Stromwicklung der Bügel erregt wird. Letztere
wird ebenfalls aus dem Drehstromnetz gespeist. Mittels eines Phasenschiebers 8 erfolgt
die Einstellung der richtigen Phase des Kompensationsstromes J2; seine Größe wird
an einem Spannungsregler 9 und einem Dekadenregelwiderstand 10 eingestellt und über
einen Vektormesser II an einem Meßinstrument 12 abgelesen. Zur Anzeige des feldfreien
Zustandes ist ein Vibrationsgalvanometer 13 an die Spannungswicklung 7 angeschlossen.
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Der feldfreie Zustand ist erreicht, wenn der Kompensationsstrom J2
mittels Spannungsregler, Regelwiderstand und Phasenschieber so eingestellt ist,
daß das Instrument 13 nicht mehr ausschlägt. In diesem Zustand werden zur Berechnung
der gesuchten magnetischen Größen der Kompensationsstrom J2, sein Phasenwinkel ç
gegen eine in einer auf der Meßstrecke aufgebrachten Induktionswicklung I4 mit s14
Windungen induzierte EMK sowie deren Größe E mit dem Vektormesser gemessen.
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Aus diesen Meßwerten errechnen sich unter der Annahme sinusförmiger
Ströme und Spannungen die magnetischen Größen wie folgt: Magnetischer Spannungsabfall
Um = J2 88 Magnetische Feldstärke Heff = J2 # ##sin # [AW/cm] tFe
| E Io6 EMaxwell] |
| Induktionsfluß ma = l / |
| 2,22 t5 814 |
Magnetische Induktion Bmaz = qF [Gauß] Eisenverluste PFe = s 12 s, sß zu cos ç [Watt]
S4 Spezifische Eisenverluste fiFe = g !1 1000 7 8 [Watt/kg] lFc qFe 7,8