DE3211163A1

DE3211163A1 - Elektromagnetisch kraftkompensierende waage

Info

Publication number: DE3211163A1
Application number: DE19823211163
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Phys. Dr. 3418 Uslar Maaz
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE3211163C2; JPS58173437A; US4503923A; JPH0244376B2; CH659324A5

Description

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer ringförmigen Tragspule mit senkrechter Achse und mit einem Permanentmagnetsystem, das im wesentlichen symmetrisch zur Hittelebene der Tragspule ausgebildet 1st und oberhalb und unterhalb dieser Mittelebene je eine Platte aktiven Magnetmaterials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung enthält, wobei die gleichnamigen Pole dieser Platten einander zugewandt sind. Waagen dieser Art sind zum Beispiel aus der US-PS 40 34 819 bekannt.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich direkt eine senkrechte Kompensationskraft ergibt und daß die Spule auf ihrer ganzen Länge voll zur Krafterzeugung beiträgt. Der symmetrische Aufbau des Permanentmagnetsystems bietet darüber hinaus den Vorteil einer geringen Rückwirkung der Tragspule auf die magnetische Feldstärke des Permanentmagnetsystems, geringe Hysterese und guter Abschirmbarkeit gegen magnetische Fremdfelder. Nachteilig ist Jedoch die große Bauhöhe des Permanentmagnetsystems, wodurch auch die ganze Waage sehr hoch wird. Auch der Einsatz magnetischer Materialien mit hoher Koerzitivfeidstärke (z.B. Materialien auf der Basis von Samarium-Kobalt-Legierungen) konnte diese Bauhöhe nicht im gewünschten Maß reduzieren, da die verminderte Dicke der Platten aus aktivem Magnetmaterial bei unveränderter Luftspaltgeometrie zu einem starken Anwachsen des Streuflusses wegen der räumlichen Nähe der weichmagnetischen Rückschlüsse führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage der oben angegebenen Art so weiterzubilden, daß sich beim Einsatz magnetischer Materialien hoher Koerzltlvfeidstärke eine geringe Bauhöhe des Permanentmagnetsystems ergibt, ohne daß die magnetischen Streuverluste zu stark zunehmen.

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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der innere Durchmesser der Tragspule kleiner ist als die größte Diagonale der Platten aus aktivem Magnetmaterial.

Auf die feldliniensammelnde und -leitende Funktion einer üblicherweise vorhandenen Polplatte aus Weicheisen wird also teilweise oder ganz verzichtet, statt dessen erstreckt sich die Tragspule auch in den Bereich zwischen den beiden Platten aus aktivem Magnetmaterial hinein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt

Pig. 1 die wesentlichen Teile der Waage im Schnitt,

Pig. 2 eine andere Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems und der Tragspule aus Pig. I. und

Pig. 3 das Permanentmagnetsystem in einer weiteren Ausgestaltung, die besonders für den Einbau einer zweiten Tragspule ausgebildet ist.

Die elektromagnetisch kraftkompensierende Waage in Pig. I besteht aus einem gehäusefesten Stützteil 1, an dem über zwei Lenker 4 und 5 mit den Gelenkstellen 6 ein Lastaufnehmer 2 in senkrechter Richtung beweglich befestigt ist. Der Lastaufnehmer trägt in seinem oberen Teil die Lastschale zur Aufnahme des Wägegutes und überträgt die der Masse des Wägegutes entsprechende Kraft über ein Koppelglied in Form eines dünnen Spannbandes 9 auf den kürzeren Hebelarm des Obersetzungshebels 10. Der Ubersetzungshebel 10 ist durch

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ein Kreuzfedergelenk 8 am Stützteil 1 gelagert. Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 10 1st eine Spule 11 befestigt, die im Zusammenwirken mit dem Permanentmagnetsystem 7 die elektromagnetische Kompensationskraft erzeugt. Die zugehörige Regelelektronik ist nicht dargestellt, da sie allgemein bekannt und für die Erfindung nicht wesentlich ist.

Das Permanentmagnetsystem 7 besteht aus zwei Scheiben 71 und aus aktivem Magnetmaterial mit hoher Koerzitivfeidstärke, beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, und je einem weichmagnetischen Rückschluß. Die beiden Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial sind dabei In senkrechter Richtung gegensinnig magnetisiert (in der Zeichnung durch die Richtung der Pfeile angedeutet), so daß ihre gleichnamigen Pole einander zugewandt sind. Der magnetische Rückschluß für die obere Scheibe 71 aus aktivem Magnetmaterial wird durch die obere Platte 73, die seitlichen Stege 75 und die mittlere Platte 77 gebildet. Der magnetische Rückschluß für die untere Scheibe 72 aus aktivem Magnetmaterial wird entsprechend durch die untere Platte 74, die seitlichen Stege 76 und die mittlere Platte 77 gebildet. Der Durchmesser des Loches in der mittleren Platte 77 ist dabei nur etwas größer gewählt als der Durchmesser der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial, um die Nutzluftspaltlänge und ebenso den Streufluß beispielsweise von der unteren Polfläche der Scheibe 71 direkt durch den Luftraum zur oberen Platte 73 gering zu halten. Die Polplatte 78 zwischen den beiden Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial weist nur einen wesentlich geringeren Durchmesser auf als die Scheiben 71 und 72. Diese Polplatte 78 sammelt also nur die magnetischen Feldlinien aus dem inneren Bereich der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial und läßt sie radial aus der Mantelfläche der Polplatte wieder austreten. Die welter außen aus den Polflächen austretenden magnetischen Feldlinien werden nur durch die abstoßende Wirkung der gegenüberliegenden, gleichnamigen Polfläche seitlich weggedrängt und nach außen gelenkt.

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Wegen der hohen Koerzitivfeldstärke des verwendeten aktiven Magnetmaterials stört diese starke Entmagnetlsierungstendenz jedoch nicht.

Die Tragspule 11 erstreckt sich innerhalb des Loches In der mittleren Platte 77 bis weit in den Bereich zwischen den beiden Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial hinein. Dieser innere Bereich weist zwar eine nach innen zu abnehmende magnetische Feldstärke auf, kann jedoch trotzdem einen erhebliehen Anteil zur elektromagnetisch erzeugten Kraft liefern. Erfahrungsgemäß ergibt'sich ein Optimum, wenn der Innendurchmesser der Tragspule 11 etwa zwischen 50 und 70 % des Außendurchmessers der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial beträgt. Befestigt Ist die Tragspule 11 am ringförmig ausgebildeten Ende des Übersetzungshebels 10.

Die Platten 73, 74 und 77 sowie die Stege 75 und 76 können leicht aus Blechen ausgestanzt werden, so daß sich eine kostengünstige Herstellung ergibt. Die Verbindung der einzelnen Teile des weichmagnetischen Rückschlusses erfolgt durch (in Pig. I nicht gezeigte) Schrauben oder Niete.

Das aktive Magnetmaterial wird vorzugsweise In Form runder Scheiben eingesetzt. Es Ist Jedoch auch die Benutzung quadratischer, sechseckiger oder achteckiger Platten aus aktivem Magnetmaterial möglich, die sich leichter herstellen lassen. Die Tragspule kann dann zyllnderförmlg ausgebildet sein, was zu einfacher Herstellung, aber nicht optimaler Ausnutzung des Magnetmaterials führt; oder die Tragspule wird in ihrer Form der Form der Platten aus aktivem Magnetmaterial angepaßt, wodurch die magnetische Ausnutzung, aber auch die Herstellkosten ansteigen. Hier ist jeweils eine individuelle Optimierung notwendig.

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Ebenso kann der weichmagnetische Rückschluß 73··«77 In seiner Außenform rund oder rechteckig oder sechseckig oder achteckig ausgeführt sein, ohne daß sich an seiner Punktionsweise etwas ändert. Auch hierbei müssen Materialaufwand, Herstellkosten und Platzverhä'ltnisse individuell berücksichtigt werden.

Eine andere Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems 7 und der Tragspule 11 zeigt Pig. 2. Die in senkrechter Richtung und gegensinnig magnetisieren runden Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial sind jeweils auf der Innenseite einer oberen Platte 73 und einer unteren Platte 74 aus Weicheisen befestigt. Diese beiden Platten 73 und Jk werden durch ein Rohr 79 aus Weichelsen verbunden, wobei der Innendurchmesser des Rohres 79 nur wenig größer ist als der Durchmesser der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial. Die Spule 11 befindet sich ganz zwischen den beiden Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial, ihr Außendurchmesser ist etwa gleich dem Durchmesser dieser Scheiben 71 und 72. Befestigt ist die Spule 11 an einer hülsenförmlg abgewinkelten öffnung am Ende des Ubersetzungshebels 10, der wie in Pig. 1 am gehäusefesten Stützteil gelagert und über ein Koppelband 9 mit der Parallelführung verbunden ist.

Die weichmagnetische Polplatte besteht aus zwei runden Scheiben 78a und 78b, wobei die obere Scheibe 78a an der oberen Scheibe 71 aus aktivem Magrietmaterial befestigt ist und die untere Scheibe 78b an der unteren Scheibe 72 aus aktivem Magnetmaterial. Die Aufteilung in zwei Scheiben 78a und 78b, die selbstverständlich auch in der Ausgestaltung nach Pig. I möglich 1st, erfolgt, damit Dickentoleranzen dieser Scheiben sowie der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial und die Höhentoleranz des Rohres 79 bei der Montage durch einen mehr oder weniger breiten Spalt zwischen den Scheiben 78a und 78b aufgefangen werden können.

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Die magnetischen Feldlinien, die an der unteren Polflä'che der Scheibe 71 aus aktivem Magnetmaterial und an der oberen Polfläche der Scheibe 72 aus aktivem Magnetmaterial austreten, werden wieder teilweise durch die Polplatten 78a und 78b gebündelt und durch die abstoßende Wirkung der gegenüberliegenden, gleichnamigen Polfläche nach außen gedrängt, durchsetzen den Bereich der Spule 11 etwa waagerecht und werden durch das Rohr 79 und die Platten 73 bzw. 74 aus Weicheisen wieder zurückgeleitet.

Die weichmagnetischen Polplatten 78a und 78b können natürlich ganz entfallen, falls die Koerzitivkraft der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Material ausreicht. Trotz der verschiedenen Luftspaltlängen für Feldlinien aus dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich der Scheiben 71 und 72 ist die Feldliniendichte innerhalb der Scheiben 71 und 72 wegen der hohen Koerzltivfeldstärke nicht im wesentlichen Maße ortsabhängig.

Weiter sind in Fig. 2 außerhalb der Polplatten 78a und 78b dünne Bleche 70 aus einem Material mit einem großen Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung auf den einander zugewandten Polen der Scheiben 71 und 72 aus aktivem Magnetmaterial vorgesehen. Solche dünnen Bleche werden In bekannter Weise in einem magnetischen Nebenschluß angeordnet und dienen zur Temperaturkompensation des Permanentmagnetsystems.

Fig. 3 zeigt das Permanentmagnetsystem 7 und die zwei Tragspulen 11 und 8l einer weiteren Ausgestaltung der Waage. Diese Ausgestaltung ist für ein Quotientenmeßsystem entworfen, das eine zweite Tragspule, die mit einer konstanten Referenzmasse in Wirkverbindung steht, enthält. Solche Quotientenmeßsysteme sind allgemein bekannt und z.B. in der DE-PS 11 9h 167 beschrieben, so daß hler auf eine detaillierte Beschreibung des Gesamtaufbaus und der Wirkungsweise verzichtet werden kann.

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Das Permanentmagnetsystem In Flg. 3 enthält drei Scheiben 82, 83 und 84 aus aktivem Magnetmaterial. Die Magnetisierungsrichtung 1st dabei durch die Richtung der Pfeile angedeutet. Zwischen diesen Scheiben aus aktivem Magnetmaterial befinden sich kleine Polplatten 85 und 86 aus Weicheisen und die beiden Spulen 11 und 8l. Die obere Platte 73, die untere Platte 74 und das Rohr 79 bilden den äußeren, weichmagnetischen Rückschluß. Die Feldlinien der oberen Scheibe 84 aus aktivem Magnetmaterial verlaufen teilweise durch die Polplatte 85, dann radial nach außen durch die Spule 11 und dann über den oberen Teil des Rohres 79 und die obere Platte 73 als weichmagnetischen Rückschluß zurück zur Scheibe 84 aus aktivem Magnetmaterial. Die Feldlinien der in entgegengesetzter Richtung magnetisieren Scheibe 82 aus aktivem Magnetmaterial verlaufen teilweise durch die Polplatte 85, dann radial nach außen durch die Spule 11, durch den mittleren Abschnitt des Rohres 79, durch die Spule 8l und teilweise durch die Polplatte 86 zurück In die Scheibe 82 aus aktivem Magnetmaterial. Die magnetischen Feldlinien der Scheibe 83 aus aktivem Magnetmaterial verlaufen durch die untere Platte 74 und den unteren Teil des Rohres 79, dann radial nach innen durch die Spule 81 und teilweise durch die Polplatte 86 zurück in die Scheibe 83 aus aktivem Magnetmaterial.

Die Spule 11 1st wieder am Ende des Ubersetzungshebels 10 befestigt und so mit dem Lastsystem verbunden. Entsprechend ist die Spule 8l an einem Teil 80 befestigt und steht über dieses Teil 80 in Wirkverbindung mit dem Referenzsystem.

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Claims

Sartorius GmbH Akte SW 8203

Weender Landstraße 94-108 Kö/hs

D-3400 Göttingen

Elektromagnetisch kraftkompensierende Waage

Ansprüche:

1.) Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkom-

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- mit mindestens einer ringförmigen Tragspule mit senkrechter Achse

- und mit einem Permanentmagnetsystem, das Im wesentlichen symmetrisch zur Mittelebene der Tragspule ausgebildet 1st und oberhalb und unterhalb dieser Mittelebene je eine Platte aktiven Magnetmaterials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung enthält, wobei die gleichnamigen Pole dieser Platten einander zugewandt sind,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der* Innere Durchmesser der Tragspule (11) kleiner ist als die größte Diagonale der Platten (71,72,82,83,84) aus aktivem Magnetmaterial.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Permanentmagnetsystem eine Polplatte (78,78a,78b) aus Weicheisen auf den einander zugewandten Polen der Platten (71,72) aus aktivem Magnetmaterial aufweist, wobei der Außendurchmesser dieser Polplatte geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der ringförmigen Tragspule (11).

3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - daß die Platten (71,72) aus aktivem Magnetmaterial die Form von runden Scheiben aufweisen.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Tragspule (11) zylinderförmig ausgebildet ist.

5. Waage nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Außendurchmesser der zylinderförmigen Tragspule (11) etwa gleich dem Außendurchrnesser der Scheiben (71,72) aus aktivem Magnetmaterial ist.

6. Waage nach Anspruch 3 und 4 oder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Innendurchmesser der zylindrischen Tragspule (11) 50 ... 70 % des Außendurchmessers der runden Scheiben (71,72) aus aktivem Magnetmaterial beträgt.

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J. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Permanentmagnetsystem (7) weitgehend aus ebenen, aus Blechen ausgestanzten Teilen besteht.

8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- auf der freien, nicht von einer Polplatte (78,78a,78b) bedeckten Polfläche der Platten (71,72) aus aktivem Magnetmaterial ein dünnes Blech (70) aus einem Material mit großem Temperaturkoeffizienten der Sättigungsmagnetisierung befestigt ist.

9. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer zweiten Tragspule, die zu einem Referenzewägesystem gehört, dadurch gekennzeichnet,

- daß der innere Durchmesser der zweiten Tragspule (81) ebenfalls kleiner ist als die größte Diagonale der Platten (83,84,85) aus aktivem Magnetmaterial.

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