Magnetanordnung und Verwendung derselben
Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetanordnung mit zwei im Abstand eines Luftspaltes angeordneten Flächen und Mitteln, die einen Magnetfluss zwischen diesen Flächen bewirken sowie auf eine besondere Verwendung derselben.
Verschiedene Geräte wie z. B. Wattstundenzähler, Kraftrelais u. dgl. arbeiten nach dem Induktionsprinzip. In diesen Geräten ist ein geeignetes Bauelement, z. B. eine Induktionsscheibe, drehbar gelagert und führt unter dem Einfluss eines alternierenden Magnetfeldes Bewegungen aus, die den Verhältnissen in einem elektrischen Stromkreis entsprechen. Die Induktionsscheibe ist gewöhnlich auf einer in geeigneten Lagern gelagerten Welle befestigt. Die Welle würde mit einer verhältnismässig grossen Drehzahl rotieren, wenn keine Dämpfungsmittel vorgesehen wären.
Geräte mit Induktionsscheiben können mit einer oder mehreren Dämpfungsmagnetanordnungen versehen sein, wobei in jeder Anordnung ein Luftspalt vorgesehen ist, in den ein Teil der Scheibe eingreift.
In einer solchen Anordnung ist ein magnetisches Feld für die elektrisch leitende Scheibe vorhanden. Das Magnetfeld ist bestrebt, die Rotation der Scheibe dadurch zu dämpfen bzw. zurückzuhalten, dass an ihr eine Kraft bzw. ein Drehmoment angreift, das der Drehgeschwindigkeit der Scheibe und dem Quadrat des Magnetflusses im Luftspalt proportional ist.
Wenn die Scheibe rotiert, werden in einem Teil von ihr Wirbelströme erzeugt, die die magnetischen Kraftlinien, die den Luftspalt der Magnetanordnung durchfliessen, schneiden. Die Wirbelströme erzeugen Magnetflusslinien, die auf die Magnetflusslinien der Bremsmagnetanordnung zurückwirken und die gewünschte Dämpfung der Scheibe bewirken.
Bekanntlich ändert sich der Fluss eines Permanentmagneten, wie er für die Dämpfungsanordnungen von Geräten mit Induktionsscheiben gewöhnlich verwendet wird, bei Änderungen der Umgebungstemperatur. Damit die Drehgeschwindigkeit der Scheibe durch solche Änderungen unbeeinflusst bleibt, ist es nötig, eine Kompensation vorzusehen.
Hierzu ist ein Bremsmagnet mit zwei im Abstand eines Luftspaltes angeordneten Flächen und Mitteln vorgesehen, die einen Magnetfluss zwischen den Flächen bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel vorgesehen sind, die die Verteilung des Magnetflusses im Luftspalt in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Durch geeignete Anordnung und Bemessung dieser Mittel kann eine solche Änderung in der Verteilung des Magnetflusses im Luftspalt bei Temperaturänderungen erreicht werden, dass die Temperaturabhängigkeit der Remanenz oder des Magnetflusses des Permanentmagneten kompensiert wird. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe bleibt von dieser unbeeinflusst.
Die Erfindung ist speziell für eine Dämpfungsanordnung geeignet, die sich nicht durch die bekannten Mittel eines magnetischen Nebenschlusses kompensieren lässt, also zum Beispiel für eine Anordnung mit einem Permanentmagneten aus Keramik oder Ferrit. Ein Keramik- oder Ferrit-Permanentmagnet kann aus einem Material mit der chemischen Zusammensetzung MO.6Fe2O5 bestehen, wobei M Barium, Strontium oder Blei bedeutet. Bartumferrit mit der Zusammensetzung BaO. 6Fe203 hat zufriedenstellende Eigenschaften und steht im Handel zur Verfügung. Ein solcher Magnet kann im günstigsten Fall eine Koerzitivkraft von 1500 Örsted haben, ist sehr widerstandsfähig gegen Korrosion, besitzt hohe Sta bilität und Widerstandskraft gegen eigene und äussere Entmagnetisierung, hat relativ geringes Gewicht und ist billig.
Ein Ferritmagnet hat einen verhältnismässig grossen negativen Temperaturkoeffizienten bezüglich der Remananz oder des Magnetflusses. Ausserdem hat ein solcher Magnet annähernd dieselbe Permeabilität wie Luft, oder eins; dies hat geringe Streuverluste rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung zur Folge. Wegen der relativ grossen Remanenz- oder Flussänderung des Magneten und der daraus resultierenden grossen Änderung der Flussdichte im Luftspalt bei Änderungen der Umgebungstemperatur lässt sich eine Magnetanordnung mit einem solchen Magneten nicht mit dem üblichen Nebenschluss kompensieren.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen unvollständigen, teilweise geschnittenen Aufriss eines elektrischen Messinstrumentes mit einem Bremsmagneten gemäss der Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht nach der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen unvollständigen, teilweise geschnittenen Aufriss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 eine Ansicht nach der Linie IV-IV der Fig. 3.
Die Fig. I und 2 zeigen ein elektrisches Messinstrument mit Induktionsscheibe. Der Anschaulichkeit halber sei angenommen, dass dieses Instrument ein Wattstundenzähler gewöhnlicher Bauart sei, der die Energie in einem nicht dargestellten einphasigen Wechselstromkreis misst. Das Gerät kann eine Magnetanordnung 2 enthalten, die aus einer Vielzahl nicht gezeigter Lamellen aus geeignetem Magnetmaterial, z. B. aus Stahl, geschichtet sind. Die Magnet anordnung besitzt ein Paar im Abstand angeordneter Strompole 4 und einen Spannungspol 6. Die Strompole 4 und der Spannungspol 6 sind mit Windungen 8 und 10 versehen und so zueinander angeordnet, dass die Polflächen zwischen sich einen Luftspalt 12 freilassen, in den ein elektrisch leitender Anker oder eine Scheibe 14 drehbeweglich eingreift.
Wenn die Spannungswicklung 10 an die Spannung eines Wechselstromkreises gelegt ist und die Stromwicklungen 8 vom Strom dieses Wechselstromkreises durchflossen werden, entsteht im Luftspalt 12, in dem sich die Scheibe 14 bewegt, ein wechselndes Magnetfeld. Dieses wechselnde Magnetfeld bewirkt ein Drehmoment zwischen der Scheibe 14 und dem Elektromagneten mit der Magnetanordnung 2, der Stromwicklung 8 und der Scheibe 10, so dass eine Drehung der Scheibe entsteht. Dieses Drehmoment ist dem Energiefluss im zugeordneten Wechselstromkreis proportional.
Die elektrisch leitende Scheibe oder der Anker 14 ist an einer senkrecht stehenden Welle 16 drehbar befestigt. Die Welle besitzt eine obere Lageranordnung 18 und eine untere Lageranordnung 20, so dass die Scheibe 14 relativ zum Elektromagneten drehbar ist. Die obere und untere Lageranordnung 18 und 20 sind relativ zum Elektromagneten in irgendeiner geeigneten Weise, z. B. mittels eines Rahmens 22, befestigt.
Da die Konstruktion eines Wattstundenzählers der oben genannten Art an sich bekannt ist, erscheint es nicht nötig, diesen noch näher zu beschreiben. Es mag genügen, noch zu erwähnen, dass die Scheibenwelle 16 mit einer nicht gezeigten Registriereinrichtung bekannter Art kombiniert ist. Diese wird von der Welle angetrieben und registriert die im elektrischen Wechselstromkreis, dem der Wattstundenzäh ler zugeordnet ist, verbrauchte Energie.
Um die Drehung der Scheibe 14 zu dämpfen, werden ein oder mehrere magnetische Dämpfungsanordnungen verwendet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zwei gleich ausgebildete Dämpfungsanordnungen 24L und 24R vorgesehen. Beide haben Luftspalte, in die die drehbare Scheibe 14 eingreift.
Die Dämpfungsanordnungen bremsen also die Drehung der Scheibe 14 mit einer Kraft bzw. einem Drehmoment, das der Drehgeschwindigkeit der Scheibe proportional ist.
Da die Dämpfungsanordnungen 24L und 24R im wesentlichen gleich ausgebildet sind, soll die Konstruktion anhand der Dämpfungsanordnung 24L beschrieben werden. Es ist zu beachten, dass die Einzelteile der Anordnung 24R die gleichen Bezugszahlen tragen wie die entsprechenden Teile der Anordnung 24L; es ist lediglich der Index R durch den Index L ersetzt.
Die Anordnung 24L, die am Rahmen 22 mit irgendwelchen geeigneten Mitteln befestigt ist, besitzt einen als Permanentmagneten ausgebildeten Teil 26L, der vorzugsweise ebene Flächen besitzt und aus Keramik- oder Ferrit-Permanentmagnetmaterial besteht. Wie oben aufgezeigt wurde, kann dieses Material Banumferrit mit der chemischen Formel BaO.
6je203 sein, wobei Ba Barium, Fe Eisen und 0 Sauerstoff bedeuten.
Um die Dämpfungswirkung möglichst gross zu machen, sind die Magnetzonen dieses Materials nach einem bekannten Verfahren ausgerichtet. Es sei beispielsweise angenommen, dass der Magnet 26L so magnetisiert ist, dass oben ein Nordpol und unten ein Südpol entsteht, was in Fig. 1 durch die Beschriftung N und S angedeutet ist. Der Magnet 26L (in diesem Fall die Polfläche seines Nordpoles N) ist so nahe als möglich an der Scheibe 14 angeordnet, um die Dämpfungswirkung noch weiter zu vergrössern. Dadurch und auf Grund der Tatsache, dass der Magnet ungefähr die gleiche Permeabilität wie Luft hat, nämlich eins, ist nur ein geringer Streufluss vorhanden.
Demzufolge eignet sich die Anordnung nicht für eine Eigenkompensation mit Hilfe eines z. B. aus Nickelstahl bestehenden Nebenschlusses, weil die Änderung des Magnetflusses des Ferritmagneten bei Anderun- gen der Umgebungstemperatur verhältnismässig gross ist.
Um eine solche Kompensation zu erreichen, ist der Magnet 26L mit irgendwelchen geeigneten Mitteln, z. B. durch Kleben, am unteren Schenkel 28L eines im wesentlichen U- oder C-förmigen, als Tragteil dienenden Grundkörpers 30L der Dämpfungsanordnung 24L befestigt. Der Grundkörper 30L besitzt auch einen oberen Schenkel 32L. Die beiden Schenkel 28L und 22L sind durch ein Jochteil 34L miteinander verbunden.
Der Grundkörper 30L hat ausserdem einen anderen, als Ansatz ausgebildeten Teil 36L, der sich gegen den Magneten 26L hin erstreckt und eine in einem gewissen Abstand vom Magneten angeordnete untere Planfläche 3 8L trägt. Am oberen Schenkel 32L des Grundkörpers ist durch irgendwelche geeigneten Mittel, z. B. durch Kleben, ein an den Ansatz 3 6L angrenzender Teil 40L befestigt. Der Teil 40L trägt eine untere Planfläche 42L, die an die Fläche 38L angrenzt, wobei die Grösse der Flächen 38L und 42L zusammen im wesentlichen gleich ist, wie die der Nordpolfläche des Magneten 26L. Die Flächen 3 8L und 42L schliessen also zusammen mit der Nordpolfläche des Magneten einen Luftspalt ein, in den der Randbereich der Scheibe 14 eingreift.
Zur Bildung eines Rückschlusspfades für den vom Magneten. 26L im Luftspalt erzeugten Magnetfluss besteht der Grundkörper 30L der Dämpfung anordnung, sowie der Ansatz 3 6L und der Teil 40L aus weichmagnetischen Werkstoffen. Diese Werkstoffe haben wesentlich verschiedene Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper und sein Ansatz aus kaltge walztem Stahl mit verhältnismässig kleinem Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität, während das Glied 40L aus Nickelstahl mit verhältnismässig grossem negativem Temperaturkoeffiziens ten der magnetischen Permeabilität besteht.
Wenn die Umgebungstemperatur z. B. anwächst, nimmt der Fluss des Magneten 26L ab, wodurch die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 14 sich zu erhöhen strebt. Jedoch nimmt die Permeabilität des Teiles 40L ab, während sich diejenige des Ansatzes 36L um einen verhältnismässig kleinen Betrag ändert. Demzufolge nimmt die Flussdichte an der unteren Fläche 42L des Teiles 40L ab und das Verteilungsbild des Magnetflusses im Luftspalt ändert sich relativ zur Scheibe 14, d. h., die Flussdichte ist bestrebt, gegen das Zentrum der Scheibe hin anzuwachsen und dem Rand zu abzunehmen. Es ist einleuchtend, dass die Änderung in der umgekehrten Richtung geht, wenn die Temperatur abnimmt.
Da das Dämpfungsmoment sich mit dem Quadrat der Flussdichte und proportional zur durchflossenen Fläche der Scheibe ändert, kann durch geeignete Bemessung des Ansatzes 36L und des Teiles 40L eine Kompensation der Änderung des Flusses des Permanentmagneten 26L bei Änderungen der Umgebungstemperatur bewirkt werden.
Bekanntlich wächst bei einer Entfernung des Dämpfungsmagneten einer Induktionsscheibe von der Drehachse der Scheibe die Dämpfungskraft bzw. das Dämpfungsmoment bei einer gegebenen Flussdichte im Luftspalt und gegebener Umgebungstemperatur zunächst an, da die Länge des Hebelarmes zunimmt. Nach Erreichen eines Maximums nimmt das Dämpfungsmoment wieder ab, obwohl der Hebelarm weiter vergrössert wird. Dies rührt daher, dass sich die Wirbelströme am Rand der Scheibe zusammendrängen. Dieser Effekt kann vorteilhafterweise dazu nutzbar gemacht werden, mit Hilfe der Magnetanordnung 24L ein Optimum an Kompensation der Umgebungstemperatureinflüsse zu erreichen. Es ist deshalb günstig, die Anordnung vorzugsweise in einem Abstand von der Drehachse anzuordnen, der kleiner als der Abstand ist, bei dem die Anordnung die maximale Dämpfungswirkung bei normaler Raumtemperatur bewirkt.
Eine konstante Flussdichte im Luftspalt und eine konstante wirksame Fläche vorausgesetzt, bewirkt also die Verschiebung des Flusses in Richtung der Scheibenachse entlang deren Radius zuerst ein Anwachsen der Dämpfungskraft, wobei die Scheibe langsamer zu rotieren beginnt und umgekehrt. Für eine spezielle Dämpfungsmagnetanordnung 24L z. B. würde eine maximale Dämpfung der Scheibe 14 bei gegebener Umgebungstemperatur dann bestehen, wenn die Mittelpunkte der Nordpolfläche des Magneten 26L und der aneinander angrenzenden Flächen 36L und 42L eine Entfernung von der Scheibenachse aufweisen, die annähernd 80 O/o des Scheibenradius beträgt. Deshalb kann der Bremsmagnet so angeordnet sein, dass die genannten Mittelpunkte der Magnete einen Abstand von 90 O/o des Scheibenradius von der Drehachse der Scheibe aufweisen.
Die durch die im vorstehenden beschriebene Änderung der Magnetflussverteilung allein bewirkte Kompensation wird durch die Anordnung des Bremsmagneten in der zuletzt beschriebenen Lage unterstützt, so dass die Drehgeschwindigkeit der Scheibe von einer Änderung des Flusses des Magneten 26L bei Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
In den Fig. 3 und 4 ist eine gegenüber der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Dämpfungsanordnung 24L abgewandelte magnetische Dämpfungsanordnung 44L für die Scheibe 14 dargestellt. Die Anordnung 44L enthält einen aus Keramik- oder Ferrit-Permanentmagnetmaterial bestehenden Doppelpermanentmagneten 46L mit vorzugsweise ausgerichteten magnetischen Zonen. Auch dieses Material kann Bariumferrit mit der oben genannten chemischen Formel sein.
Der Magnet 46L ist so magnetisiert, dass er vier Pole in einer Anordnung gemäss Fig. 3 und 4 aufweist. Der Magnet 46L besitzt obere aneinander angrenzende Nord- und Südpole, denen untere aneinander angrenzende Süd- und Nordpole zugeordnet sind, so dass effektiv zwei gleiche nebeneinanderliegende Magnetabschnitte 46La und 46Lb vorhanden sind.
Die Magnetabschnitte 46La und 46Lb können zunächst als getrennte Magnete hergestellt sein und dann zu einem Doppelmagneten 46L zusammengestellt werden. Zweckmässigerweise wird ein zusammenhängender Block auf Bariumferrit nach einem in der einschlägigen Technik bekannten Verfahren so magnetisiert, dass die aneinander angrenzenden . Ab- schnitte 46La und 46Lb entstehen.
Der Magnet 46L kann mit irgendwelchen geeigneten Mitteln, z. B. durch Kleben, an einem Grundkörper 48L aus weichmagnetischem Material befestigt sein. Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus kaltgewalztem Stahl mit einem relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität. Der Grundkörper 48L wird dann am Rahmen 22 befestigt.
An der entgegengesetzten Seite der Scheibe 14 befindet sich ein weichmagnetisches L-förmiges Teil 50L, das aus einem Schenkel 52L und einem Absatz 54L besteht. Das Teil 50L besteht vorzugsweise aus kaltgewalztem Stahl mit einem relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität und ist ebenfalls am Rahmen 22 befestigt. Der Ansatz 54L trägt eine untere Fläche 56L, die vom Magneten 46L einen gewissen Abstand hat.
Das Teil 50L umgibt teilweise ein weichmagnetisches Teil 58L, das vorzugsweise aus Nickelstahl mit einem relativ hohen negativen Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität besteht. Der Teil 58L ist durch irgendwelche geeignete Mittel, z. B.
Kleben, am Teil 50L befestigt und trägt eine untere Fläche 60L, die an die Fläche 56L des Ansatzes 54L angrenzt. Auf diese Weise definieren die Flächen 56L und 60L zusammen mit den oberen Nord- und Südpolflächen des Magneten 46L einen Luftspalt 62L, in den der Randbereich der Scheibe 14 eingreift. In der oberen Fläche des Permanentmagneten 46L kann in der Mitte eine Nut 64L vorgesehen sein, um die oberen Polflächen des Magneten zu trennen, damit der Streufluss zwischen den Magnetabschnitten 46La und 46Lb vermindert wird.
Der Pfad des vom Magneten 46L erzeugten Flusses verläuft wie folgt:
46La, 62L, 50L und 58L, 62L, 46Lb, 48L.
Der Fluss geht also zweimal in entgegengesetzter Richtung durch den Luftspalt 62L und die Scheibe
14. Demgemäss benötigt die Dämpfungsanordnung nach den Fig. 3 und 4 kein dem Jochteil 34L nach den Fig. 1 und 2 entsprechendes Jochteil. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Einzelteile der Anordnung nach den Fig. 3 und 4 relativ zueinander im wesentlichen die gleichen Funktionen ausführen, wie die entsprechenden in den Fig. 1 und 2 vorhandenen Teile der Dämpfungsanordnung. Es ist daher offensichtlich, dass durch geeignete Bemessung des Ansatzes 54L und des Teiles 58L und durch Anordnung des Dämpfungsmagneten 44L in einem gewissen Abstand von der Drehachse der Scheibe 14 die Änderung des Flusses des Permanentmagneten 46L bei einer Anderung der Umgebungstemperatur ebenso kompensiert wird, wie es aus den vorhergehenden Darlegungen hervorgeht.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf gewisse Ausführungsformen erläutert wurde, sind zahlreiche Abwandlungen möglich, die vom Erfindungsgedanken mit umfasst werden.