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Drehmagnetinstrument
1 )ie vorliegende Erfiiidung bezieht sich auf
Drehmagnetinstrumente mit feststehender Wicklung und gleichacllsig mit dem Drehmagnet
angeordnetem Richtmagnet als magnetische Feder.
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Is ist bekannt, daß gewisse elektrische Meßinstrumente mit direkter
Anzeige so ausgeführt werden, daß man dem elektrischen Drehmoment, welches durch
den Stroin als Funktion der zu messenden Größe crzeugt wird, ein mechanisches Drehmoment
eiltgegellsetzt. tas Zeigersystem wird dabei abgelenkt, bis die Gleichgewichtslage
zwischen (fril beiden Drehmomenten erreicht ist. Das mechaiiisciie Drehmoment u-ird
entweder durch ein Gegengewicht erzeugt oder allgemeiner durch eine Spiralfeder.
(lie Ablesungen iii allen Stellungen l>ei einem Drehmoment zuläßt, welches praktisch
dem Drehungswinkel proporitional ist. zoom Standpunkt der 1 >raxis aus geshen,
haben die Rückholfedern gewisse Nachteile. Ihr Selbstkostenpreis ist verhältnismäßig
hoch, desgleichen die Löhne für die Befestigung, sie brechen leicht, halten keinen
angestrengten Betrieb aus und geben mit der Zeit infolge Streckens und anderer Veränderungen
des Metalls zu Irrtümern Anlaß. Außerdem verformen sich die Federn mit zune'hmender
bzw. abnehmender Temperatur, was dazu zwingt, zwei Federn von entgegengesetzter
Wirkung anzuordnen, wodurch aber der Gestehungspreis noch höher wird. Schließlich
muß man unter allen Umständen zu vermeiden suchen, daß das Metall an der Befestigungsstelle
geschwächt wird, insbesondere bei den kleinen Apparaten von geringem Drehmoment,
mit dünnen Spiralen und kleinem Durchmesser. Diese Nachteile, welche durch sorgfältige
Herstellung vermindert werden können, treten besonders bei den billigen Apparaten
auf, die robust, stoßunempfindlich sowie leicht ein- und auszubauen sein und in
großen Serien verfestigt werden sollen.
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Bei anderen Typen von elektrischen Meßinstrumenten wird das Rückholdrehmoment
durch das Magnetfeld eines Richtmagnets erzeugt. Nach der bei ! diesen letzteren
allgemein gewählten Anordnung besteht das bewegliche Zeigersystem aus einem kleinen
Stab oder einer Scheibe aus weichem Eisen.
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Der feste Teil, in dessen Innern sich das bewegliche Zeigersystem
befindet, besteht aus einer Flachspule, die von dem zu messenden Strom durchflossen
wird, und aus einem Magnet oder einem kleinen, von außen her magnetisierten Stab,
welcher die Scheibe einstellt und das Gegendrehmoment erzeugt. Bei starken Stromstärken
wird die Anordnung vereinfac'ht und man begnügt sich mit einem Weicheisenstab über
dem Leiter und dem Richtmagnet parallel zum Leiter.
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Das Feld H des Magnets und das Feld K der Spule oder des Leiters
sind senkrecht zueinander, und somit stellt sich der Stab nach der Resultierenden
der beiden Felder ein und man mißt tg#α =H/K.
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Man ersieht hieraus sofort, daß der Öffnungswinkel der Skala klein
ist und theoretisch stets unter go0 bleibt, denn das Feld des Richtmagnets soll
ja genügen, um ein stabiles Rückholdrehmoment zu ergeben. Die Einteilung der Skala
ist sehr mangelhaft, denn da die Stromstärke proportional der Tangente des Auslenkungswinkels
ist, kommen die Teilstriche sehr bald eng aneinander. Behält man nur den verwendbaren
Skalenbereich bei, dann kommt man mit der Skalenöffnung nicht über 50 bis 600 hinaus.
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Man kann noch weitere Ursachen ungenauer Anzeige bemerken. Das von
einem Feld auf ein weiches Eisen ausgeübte Drehmoment ist nicht dem Feld proportional,
sondern dem Quadrat des letzteren, wenigstens solange die Sättigung nicht erreicht
ist.
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Überdies ist die entmagnetisierende Komponente der Amperewindungen
auf den kleinen Richtmagnet recht bemerkenswert, und das Gegendrehmoment kann sich
bei Überlast abschwächen und selbst bei normalen Betriebsbedingungen mit der Zeit
ändern.
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Es gibt ferner Ifysteresefehler, und die Wiedereinstellung auf den
Nullpunkt ist schwieriger als bei einer RücUholfeder, bei der es genügt, die Befestigungsschraube
zu drehen. Schließlich ist wegen der verhältnismäßig großen Bedeutung des Rückholmagnetfeldes
gegenüber dem ablenkenden Magnetfeld die Verwendung solcher Instrumente auf die
Messungen beschränkt, bei denen man über starke Amperewindungen, d.h. überhohe Stromstärken
verfügt. denn man kann die Wicklung aus verschiedeien praktischen Gründen nicht
allzusehr vergrößern.
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Bei geringen Stromstärken müßte man einen sehr kleinen Richtmagnet
Æ anordnen, der aus diesem Grunde seinen Magnetismus schlecht behält.
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Um das Rückholmagnetfeld proportional dem Wert des ablenkenden Magnetfeldes
zu machen, hat man vorgeschlagen (s. inslsesondere das USA.-t>atent 2 102 409),
das Zeigersystem und den Richtmagnet in der Form von Scheiben auszuführen, die leiderseits
eines Durchmessers einen Nordpol bzw. einen Südpol besitzen, sie ülsereinatlder
anzuordnen, und zwar gleichachsig mit Bezug auf eine gemeinsame Achse, wobei sich
der Richtmagnet gleichzeitig um seine Achse und längs dieser Achse bewegen kann.
Man kann auf diese Weise den Wert des Rückholfeldes ändern, indem man den Richtmagnet
dem Magnet des Zeigersystems nähert oder ihn von dem letzteren entfernt und man
kann die Winkellage des Nullpunkts der Skala ändern, indem man diesen Richtmagnet
um seine Achse dreht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehmaguetirlstrument mit feststehender
Wicklung und gleichachsig mit dem Drehmagnet angeordnetemRichtmagnet als magnetische
Feder ist demgegenüber das Richtfeld durch zwei übereinanderliegende scheibenförmige
Magnete mit senkrecht zur Achsrichtüng liegenden Magnetisierung gebildet, wobei
der gegenseitige Abstand der Richtmagnete wie auch die Winkel lage ihrer Magnetisierungsrichtungen
und ihre Gesamtabstände zum Drehmagnetsystem einstellbar sind. Eine solche Ausbildung
bietet damit den wesentlichen Vorteil, daß das Zeigersystem leicht ein- bzw. ausgebaut
werden kann, indem das Zeigersystem nic'ht im Innern der bekannten zweiteilig demontierbaren
Flachspule angeordnet wird oder in einer Spule mit auf ihrer Achse stark geneigten
Windungen, wie es in dem vorerwähnten Patent vorgesehen ist, sondern in der oben
geschilderten Weise in dem Zwischenraum zwischen den beiden Magneten angeordnet
wird.
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Dabei kann in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens die Ausbildung
mit Vorteil derart getroffen werden, daß jeder Richtmagnet mit einer elastischen
Weicheisenlamelle zusammenarbeitet, die an dem einen Pol befestigt und von dem anderen
Pol durch einen veränderbaren Luftspalt getrennt ist.
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Auf beiden Seiten der Achse können ferner Weic"heisenstücke derart
angeordnet und durch ein nichtmagnetisches Element verbunden werden, daß sich über
sie ein magnetischer Kreis zwischen Drehmagnet und Richtmagneten bildet und die
Lage der Weicheisenstücke mittels einer Hebelanordnung einstellbar ist. Eine solche
Hebelanordnung wird dabei zweckmäßigerweise in Form eines einseitigen Waagebalkens
mit Laufgewicht ausgebildet.
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Da in Hinblick auf die Verwendung der zusätzlichen Richtmagnete die
Zugänglichkeit zum Meßsystem erschwert ist, kann in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens
die vom zu messenden Strom durchflossene Wicklung auch in zwei deren Wirkung entsprechend.
symmetrisch zum Drehmagnet liegenden Spulen aufgeteilt werden.
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Schließlich kann bei den vorerwähnten verschiedenen Ausführungsformen
des Frfindungsgegenstandes auch noch eine Abänderung dahin getroffen werden, daß
im Anzeigesystem statt eines Drehmagnets ein Weicheisenelement. das durch sehr schwache
magnetische Felder gesättigt werden kann, z. B. aus Mu-Nletall a oder Permalloy,
vorgesehen wird.
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Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles, das für die Erfindung be-
sonders
charakteristisch ist, diese aber nicht darauf beschränken soll, im einzelnen noch
näher erläutert.
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Die Abb. 1 und 2 stellen einen Seitenriß im Schnitt und eine Aufriß
eines Instrumentes mit einem einzigen, verschiebbaren und einstellbaren Richtmagnet
gemäß der vorerwähnten älteren Erfindung dar; Abb. 3 ist eine perspektivische Ansicht
eines Systems von Richtmagneten gemäß der vorliegenden Erfindung; Abb. 4 5, 6 und
7 stellen zwei gemäß der Erfindung mögliche Anordnungen hinsichtlich des Magnets
oder des weichen Eisens, welche das Zeigersystem bildern, und der Spule dar, welche
das ablenkende Feld liefert; Al)l). 8 und 9 stellen zwei Typen von Richtmagneten
mit automatischer Aufrechterhaltung der Magnetisierung mittels elastischer, deformierbarer
magnetischer Nebenschlüsse dar; Abb. 10 zeigt gesondert die Einstellvorrichtung
für die Magnetisierung des Richtsystems mittels vaagel>alken und Laufgewicht;
Al)l). 11 zeigt ein erfindungsgemäßesDrehmagnetinstrument mit allen in den vorhergehenden
Abbildungen dargestellten Verbesserungen.
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In den Abb. I und 2, die ein bereits bekanntes Instrument darstellen,
ist 1 und 2 eine Flachspule, die in zwei Teilen ausgebildet ist, damit die Achse
3 hindurchgehen kann, welche in den Spurlagern 4 und 5 angelenkt ist. Diese Achse
trägt an einem ihrer Enden den Zeiger 6, der sich vor einer Teilung 7 bewegt.
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Das Zeigersystem besteht aus einem kleinen Magneten 8 in Form einer
magnetisierten Scheibe, die zu beiden Seiten eines Druchmessers 9 bis 10 einen Nord-
bzw. Sädpol besitzt und vorzugsweise aus einem sehr koerzitiven Metall, wie z. B.
Eisen-Nickel-Aluminium in Form eines gesinterten Pulvers, verfertigt ist.
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Das Rüclcholdrehmomen.t es wird durch einen Magnet 11 von gleicher
Form, ebenfalls beiderseits eines Durchmessers 12 bis 13 mit Nord- bzw, Südpol versehen,
erzeugt, der vorteilhaft aus dem gleichen Werkstoff verfertigt wird, aber kleiner
als 8 und sehr flach ist.
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I)er Magnet II ist auf der Achse 14 in der Verlängerung der Achse
3 befestigt, er kann um diese Achse mittels des Drehknopfes 15 eingestellt und mittels
der Zahnstange I6, des Ritzels I7 und des 1)rehknopfes I8 auf der Achse dieses Ritzels
dem Magnet 8 genähert oder von ihm entfernt werden.
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19 ist der Boden des Gehäuses.aus weichem Blech hoher Permeabilität,
er bildet einen magnetischen Nebenschluß für die Kraftlinien des Richtfeldes.
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Mall kann feststellen, daß, wenn dieVerbindungslinie der Pole J\"
5' von Ir, der das Richtfeld H liefert, senkrecht zur Achse der Spule 1-2 ist, welche
das ablenkende Feld KI ergibt, die Teilstriche von 7 mit wachsendem Wert von I sich
zusammendrängen.
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Um diesen Mangel zu vermeiden, ist die Polachse Ar'. des Richtmagnets
II, der den Anzeigemagnet 8 auf Null einstellen soll, in der Abb. 2 gezeigt, und
zwar so, daß das Felld KI der Psule und das Feld H einen Winkel # miteinander bilden,
der von 90° abweicht, wodurch dann die Resulteirenden nach Hr weist. Man erhält
dann eine Teilung, die sich zuerst erweitert und dann zusammenschließt und kann
somit den Bereich größter Erweiterung auswählen.
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Für eine Offnung der Skala von 800 wählt man den Winkel zu I300,
dann erhält man den größten Abstand der Teilstriche, wenn der Zeiger 6 um 400 vom
Nullpunkt entfernt ist.
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Die Abb. 3 zeigt das System, welches das Richtfeld erzeugt und der
vorliegenden Erfindung entspricht. Anstatt eines einzigen Richtmagnets II sind hier
zwei gleiche Magnete 20 und 21 vorgesehen, die beiderseits eines Durchmessers einen
Nord-bzxv. Südpol besitzen, sie sind auf zwei konzentrischen Achsen 22 und 23, in
Verlängerung der Achse 3 des Anzeigemagnets 8, befestigt. Die Magnete 20 und 21
können jeder für sich und auch beide gemeinsam verschoben werden. Diese Verschiebung
bezieht sich sowohl auf den Luftspalt zwischen 20 und 21, den Winkel zwischen ihren
Polachsen N' 8' bzw. N" 8" wie auch auf die axiale Verschiebung des Ganzen, derart,
daß der fiktive Magnet, der aus der kombinierten Wirkung von 20 und 21 resultiert,
dem Scheibenmagnet 8, auf den die festen, hier nicht dargestellten Spulen einwirken,
mehr oder weniger genähert wird.
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Es ist klar, daß man ein sehr geringes Rückholdrehmoment erhält,
wenn der Nordpol eines Magnets, z. B. 2I, dem Südpol des Magnets 20 gegenüberliegt,
d. h. wenn die Polaritäten entgegengesetzt sind, und das Drehmoment wird um so geringer,
je mehr die beiden ungleiehnamigen Pole einander genähert werden. Ebenso erhält
man ein sehr großes Rückholdrehmoment, wenn sich zwei gleichnamige Pole einander
gegenüberstehen, und zwar ein um so größeres Drehmoment, je mehr die beiden gleichnamigen
Pole einander genähert werden.
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Die Abb. 4 bis 7 beziehen sich auf Verbesserungen, die es vermeiden
lassen, daß der Anzeigemagnet 8 im Innern der zwei Halbspulen I und 2, wie in Abb.
I gezeigt, angeordnet wird; Aus Gründen der Serienfabrikation ist es in der Tat
vorteilhaft, wenn man bei festen Elementen unveränderlicher Lage den Anzeigemagnet
in die Spulen einbauen bzw. aus ihnen ausbauen kann, ohne, wie dies bei einer Ausbildung
gemäß Abb. I nötig ist, die Spulen zu entfernen, den Luftspalt zwischen dem Magnet
und der Innenseite der Leiter einzustellen und das Ganze zu befestigen.
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Die Abb. 4 und 5 zeigen schematisch zwei Spulen mit parallelen Achsen
24 und 25, deren aktive Flächen A B C D und A' B' C' D' parallel zur Achse 3 des
Anzeigemagnets liegen; der Strom in den Drähten dieser beiden Flächen fließt entgegengesetzt.
Vom elektromagnetischen Standpunkt aus gesehen ist das Ergebnis das gleiche, als
ob der Magnet im Innern einer einzigen Spule A B C D . B' C' D' angeordnet wäre.
Der Magnet ist in einem Kupferzylinder 26 angeordnet, der als Dämpfer und als Stütze
für die Spurlager 4 und 5 dient.
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27 ist ein im Innern angeordnetes permeables Band-
eisen.
welches sich gegen die Außenseiten der Spulen 24 und 25 lehnt, um die Magnetfelder
dieser Seiten aufzuheben.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform, l)ei welcher zwei Spulen
28 und 29 in Form eines durch einen Durchmesser geschlossenen Halbkreises einen
halbfiachen kreisförmigen Magnet 8 umgeben.
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Die in Reihe geschalteten geraden Seiten werden von Strömen entgegengesetzter
Richtung durchflossen. Die Wirkungen addieren sich dann. Eine Vicklung 30, die von
den Klemmen 3I und 32 gespeist wird und die gleichen Amperewindungen hat wie 28
und 29, gestattet es, die Felder der inaktiven Seiten der Ahlenkspulen zu vernichten,
wie man leicht aus der Pfeilrichtung ersieht. Ein Kupferzylinder 33 dient als Dämpfer
und Träger der Spurlager 4 und 5. Man könnte auch, wIe in Abb. 5, im Innern und
gegen die Außenseiten der Spulen 28 und 29 ein permeables Bandeisen anordnen, wenn
man die Gegenfelder dieser Seiten ganz beseitigen will, jedoch ist diese Vorsichtsmaßnahme
in der l'raxis überflüssig.
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Um die Anzeige des Instruments unabhängig von der Schwächung und
im allgemeinen von den Schwankungen in der Magnetisierung der Rückholmagnete zu
machen, ob es sich nun um zufällige oder normale Ursachen handelt, kann man, wie
oben bereits gesagt, für das Zeigersystem anstatt eines Drehmagnets ein Weicheisenelent
verwenden, das durch sehr schwache magnetische Felder gesättigt werden kann, z.
B. aus Mu-Metall doer Permalloy. Bei schr geringer Dicke des Weicheisenelementes
kann man dies mit sehr koerzitiven Riclatmagneten, Eisen-Nickel-Aluminium usw.,
erreichen. Natürlich darf dabei nicht mehr eine kreisförmige Gestalt gewählt werden,
sondern diejenige eines Stabes zwecks Einstellung im Felde.
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I) ie. Abl). 8 und 9 zeigen Ausführungen gemäß der Erfindung mit
automatischer Regelung der Magnetisierung. Die magnetische Ringscheibe 20 der Abb.
8 ist mittels der Klemme 34 mit einer kleinen Lamelle 35 aus weichem Blech verbunden.
Diese letztere besitzt eine gewisse Elastizität und bildet an ihrem freien Ende
einen Luftspalt 36 mit der Ringscheibe. Die Pole NS des Magnets haben durch die
kleine magnetische Feder 35 mehr oder weinger Nebenschluß, so daß die letztere sich
entferne wird, falls der Magnet schwächer wird, und umgekehrt. Die Feder 35 hat
eine Öffnung 37, um die konzentrischen Achsen 22-23 oder eine von ihnen hilldurc1lgeilen
zu lassen. lDei der Ausführung gemäß Abb. g ist die Lamelle aus weichem Blech 38
zwischen zwei Muttern 39 auf der Achse 22 oder 23 befestigt und l<egrenzt zwei
l uftspalte 36. Man kann überdies eine doppelte Lamelle, wie punktiert angedeutet,
anordnen. Auch kann man die Feder 38 in Form einer Ringscheibe Feder eines leicht
deformierbaren Schälchens mit sehr geringem Luftspalt und mit Einschnitten zwecks
Steigerung der Elastizität ausbilden. Alle diese. Anordnungen bilden magnetische
Nebenschlüsse mit automatischer Verschiebung, und die ungefähre Regelung der Magnetisierung,
welche sie hewirken sollen, genügt bei den Instrumenten, wo es nicht auf sehr hohe
Genauigkeit ankommt.
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Die Abb. IO zeigt den Einstellapparat des Richtfeldes, welchem die
Anzeigescheibe unterworfen ist, und zwar für eine gegebene relative Lage der Richtmagnete
20, 21. Der Kraftfluß ¢) des Systems der Richtmagnete wird durch die Polstücke 40
und 41 aus weichemEisengeischlossen, die durch eine nichtmagnetische Stange bzw.
Platte 42 miteinander verbunden sind, und durch die Scheibe 8. Die Spule, die das
Ablenkfeld erzeugt, ist schematisch in Form der geschlossenen Spule 43 dargestellt.
Da der fiktive Richtmagnet auf die Polstücke 40 und 4I eine Kraft ausübt, die proportional
zu dem Quadrat der Induktion ist, genügt es, diese Kraft auf einen gegebenen Wert
einzuregulieren, um sicher zu sein, daß das Richtfeld im Innern der Spule stets
den gleichen Wert besitzt. Zu diesem Zweck ist das Stück 40-42-4I in dem Lager 44
gelagert. Es wird mittels des Laufgewichts 45, welches man auf der Stange 46 wie
bei einer Laufgewichtswaage verschiebt, in die horizontale Lage gebracht.
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Da die Einstellung in jeder Winkelstellung der Richtmagneten 20 und
2I erfolgen muß, ist der ganze Waagebalken, unterstützt von dem Lager 44 und dem
Ende 48 der Stange 46, um die Welle 47 beweglich, welch letztere mit den Wellen
3, 22 und 23 gleichachsig ist.
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Die Abb. II zeigt das Meßinstrument als Ganzes.
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Man erkennt die Bestandteile unter den gleichen Bezugszeichen wie
in den vorhergehenden Abbildungen. Die gewählte Form der Wicklunge ist eine solche
gemäß den Abb. 4 und 5 und nicht eine solche gemäß den Abb. 6 und 7.
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Bemerkt sei hierzu noch, daß 49 das Gehäuse bezeichnet, 50 ein Anschlag
für die Bewegung der Welle 22 ist, 5I den Drehknopf für diese Welle und 52 und 53
zwei Anschläge für die Bewegung der Welle 23 bezeichnung und 54 der Drehknopf dieser
Welle ist. 55 ist ein Fenster im Gehäuse 49 für den Durchgang der Stange 46 des
Waagebalkens. In der Praxis genügt für dieses Fenster eine Öffnung von 1800.