Messeinrichtung für die Messung von Eisenverlusten und Magnetisierungskurven von ferromagnetischen Materialien
Geräte zur Messung der Wattverluste von ferromagnetischen Blechen sind sowohl in der Form von Prüfanordnungen bekannt, in denen lie Probenbleehe mit einer Magnetisierungs- wieklung und einer Induktionsmesswieklung verkettet sind, währen eine nichtverkettete Feldmesswicklung-in einer zwischen der aufgeteilten Probe oder zwischen Probe und einem zusätzlichen Leitbleeh oder zwischen Probe und einem Leitbleehpaket untergebracht sind und der magnetische Fluss über ein Schlussjoch geschlossen wird, als auch in der Form von Anlegejoe.
hen zur Messung der Verluste und Magnetiscierungskurven an ganzen Bleehtafeln, bei denen die MAgnetistierungswiklung mit dem oder den Jochen und die Induktionsmesswiekhmg mit einem oder mehreren der Polsehenkel des oder der. Joehe verkettet ist.
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daB der Feldmessraum sieh in Magnetisierungsrich- tungzwischenzweimagnetisiertenBlechen oder Bleehpaketen erstreekt, so dass der den Bleehen zugeführte magnetische Fluss ent- weder einseitig von der der Feldmessspule abgewendeten Probenseite her dem Probenblech zugefiihrt werden muss, oder zum mindesten teilweise durch Prosehube von derselben Seite her, auf der die Fcldmessspule angebracht ist.
Die erstgenannte Ausführung hat. zur Folge, dass in dem Probenblech zusätzliche Wirbe strombe in der Blechebene entstehen, die bewirken, dass die Feldstärke oberhalb und unterhalb des Probenbleehes sich nach Grolle und Richtung unterscheidet, so dass mit einer Feldmessspule auf der der Flusseintrittsseite gegenüberliegenden Seite zu niedrige Verluste gemessen werden.
Die an zweiter Stelle ge- nannte Ausiührung, bei der solche zusätzli- chen Wirbelstrome nicht entstehen, sofern dem Probenblech von beiden Seiten her gleichgrosse Teilflüsse zugeführt werden, hat den Nachteil, dass der Feldmessraum seitlich von Polen des Joches begrenzt wird, die über einen unver- meid'Mchen Luftspa. lt dem Probenblech einen Fluss zuführen. Über diesen Luftspalten entstehen aber durch den hindurchtretenden magnetischen Fluss magnetische Potentialdifferenzen zwischen den Polen und dem Probenbleeh, so dass im Feldmessraum die Feldstä. rke in Probennähe, wo sie mit.
der Feldstärke in der Probe übereinstimmt, einen andern Wert annimmt als in grösserer Ent. fer- nung von der Probenoberfläche, in der sie dem Quotienten der magnetischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Polflächen di vidiert durch den Polabstand entspricht. Es ist also unmöglieh, bei einer derartigen An- ordnung für die Feldmessspule einen grösseren Raum zur Verfügung zu stellen, in dem die Feldstärke mit derjenigen in der Probe gut übereinstimmt. Fig. 1 zeigt den Streufluss ohne Berücksichtigung der Magnetisierungs- wicklung und Fig. 2 mit derselben. Der besseren Übersieht wegen sind die Bilder für den Fall vernachlässigbar kleiner Feldstärken in Probe und Joch gezeichnet.
Es bedeuten in Fig. 1 und 2 : B das Probebleeh, 0 das Eisenjoch, v die Aquipotentiallinien, M die Fluss- linien und in Fig. 2 allein 1 die Magnetisie- rungswicklung.
Die Fehler, die durch zusätzliche AVirbel- strome bei einseitig aus-und eintretendem Probenbleehfluss oder durch unsymmetrische Zuführung und Ableitung des magnetischen Flusses an der Ober- und Unterseite des Probenbleches, beispielsweise durch ungleichmässige Luftspalte, entstehen, werden erfindungsgemäss dadurch behoben, dass jede Feldmessspule zweite-ilig ausgeführt wird, und zwar oberhalb und unterhalb der Messfläehe des Probenbleches mit gleiehen Windungsquersehnitten.
Ferner wird der Messfehler dureh Inhomo- genität des Feldes im Feldmessraum, der bei einer solehen Feldmessspulenanordnung durch die Streuflüsse an den Luftspalten zwisehen den den magnetischen Fluss zum Probenblech zuführenden Polfläehen und dem Probenbleeh entsteht, zweckmässigerweise dadurch vermieden, da. ss der Feldmessraum durch Äquipoten tialpole seitlieh begrentz wird, die dem Pro benblech keine magnetischen Flüsse zuführen, jedenfalls nicht in der Grössenordnung des gesamten probenflusses.
Diese Bedinung kann. dadurch erfüllt werden, dass zwischen den den Fluss zuführenden Polsehuhen und den keinen Fluss führenden Äquipotential-Polsehuhen zusätzliche Magnetisierungswicklungen vorgesehen sind, die die gleiche Windungszahl haben, wie die für die Magnetisierung der Prüfstrecke der Probe und der zugehörigen Jochteile angebraehte Magnetisierungswick- lung bzw. Wicklungen zwischen den Äqui potential-Polschuhen, und dass alle Wieklungen elektrisch parallelgesehaltet sind.
Fig. 3 zeigt ein einfaches Anlegejoch bekannter Bauweise. Das Probenblech B wird über das Anlegejoch 30 mit der Magnet. isie- rungsicklung 31 ma. gnetisiert. Die Induktion wird mit einer mit einem oder beiden Polschenkeln verketteten Messwicklung 36 erfasst und die Feldstärke mit einer nicht dargestellten FeMmesswicklung oder aus dem Ma- gnetisierungsstrom in'Wicklung 31 gemessen.
W sind die zuzätzlieh auftretenden Wirbel- strome.
Fig. 4 zeigt eine entspreehende ausführung : 40 ist das Joeh, 41 die. Magnetisierungs- wicklung. Na. eh dem Erfindungsgedanken lie- gen zwei Feldmesswicklungen 44 und 45 ober- halb und unterhalb des Probenbleehes B. Die Feldmesswieklung 45 liegt dabei in einem Wickelraum, der noeh durch die Streuflüsse an den Luftspalten eine inhomogene Intensität des Feldes zeigt. Aueh die Feldmessspule 44 wäre bei einer solehen Anordnung noch in einem inhomogenen Felde. Ausserdem ent- stehen Induktionsmessfehler in der Induktionsmessspule 46, weil der gemessene Polfluss sieh in Anteille p und q aufteilt, so dass der eigentliche Probenfluss p nicht richtig erfasst wird.
Es tritt auch noch ein nicht berücksichtigter Streufluss s aus der gegenüberliegenden Pro benfläche vor den Polschuhen aus.
Die Messeinrichtung wird daher vorzugs- weise naeh Fig. 5ausgeführt, in der man zwei einander gegenüberliegende Joche 50' und 50' an des Probenlech B anlegt. Beide Jochhälften haben zwei äussere Pole 57 und zwei innere Äquipotentialople 58. 56 ist die Induktionsmessspule,54und 55 die Feldmess- spulen. Die Magnetisierungswicklung besteht aus je drei Einzelspulen gleicher Windungs- zahl 51, 52 und 53, die elektriseh parallel geschaltet werden nach Fig. 6. Der Probenfluss tritt durch die äussern Polsehuhe 57 ein und aus.
Die Parallelsehaltung der Wieklungen 51, 52 und 53 bewirkt, dass alle Magneti sierungsspulenjedenfallsnahezudengleichen magnetischenFlussführen,auch wenn dafür unterschiedliche Stromstärken benötigt werden. Dadurch werden die Äquipotentialpole 58 freigehalten von magnetisehem Fluss ah gesehen von denjenigen kleinen Differenzen, die dadurch entstehen, dass infolge der Ohm- sehen Widerstände der Magnetisierungswick- lungen 51, 52 und 53 die Klemmenspannung dieser Wicklungen nicht genau mit den selbst- induzierten Spannungen übereinstimmen.
Diese Untersehiede können dadurch klein gehalten werden, dass man die Drahtquerschnitte für diese Wieklungen dem jeweiligen Strombedarf für die wichtigsten Anwendungsfälle anpasst.
Die Feldmessspulen 54 und 55 sind in dem nunmehr feltdkonsta. nten Ra. um, der vom Pro benblech B, von den Äquipotentialpolen 58 und von der Aussenfläche der mittleren Ma gnetisierungsspulen 52 begrenzt wird, untergebracht. Die Induktionsmessung wird bei einer solchen Anordnung zweckmässig mit einer mit der Probe verketteten Induktions- wieklung 56 vorgenommen werden.
Auch die Magnetisierungswicklungen51, 52 und 53 können wie bei der Eisenprüfspule bekannter Art mit der Probe verkettet werden, wobei beaehtet werden muss, dass dann diejenigen Wick- lungen, die dien doppelten Fluss führen sollen, wie andere nur mit einer Jochhälfte verkettete Wicklungen auch die doppelte Windungszahl haben miissen, sofern sie parallelgeschaltet werden (na, eh Fig. 7). Die Breite der Probe B muss bei dieser Anordnung gleich oder kleiner alEs die Breite der Pole 57 senkrecht zur Vagnetisierungsrichtung gemessen sein.
Man kann aber auch in an sieh bekannter Weise nach Fig. 8 eine Anordnung treffen, bei der zwei derartige Doppeljoche mit umgekehrter Magnetisierungsriehtung aneinander- gesetzt bzw. zu einem siebenpoligen Doppel- joch zusammengesetzt werden. Bei einer solehen Anordnung wird eine Induktionsmess- wicklung 86 mit den mittleren, den magnetisehen Fluss zuführenden Polen 89 verkettet.
Vorzugsweise wird diese Induktionsmess- wicklung 86 jodoch nicht mit dem gesamten Querschnitt des Pols 89 verkettet, sondern nur mit einem mittleren Teil. Fig. 9 zeigt die ie Draufsicht a.ui die Polyfläche der einen Hälft eines solchen Doppeljoches. Man erkennt die Induktionswicklung 86, die sich in der Brei tenrichtung6der Pole nur über den Teil l erstreekt. Ausserdem erstreekt sich diese Induktionswieklung in Längsrichtung, bezogen auf die Magnetisierungsriehtung, nicht nur über die Abmessung c des Flusspols, sondern über die Linge d bis in den Feldmessraum hinein.
Die Induktionswicklung 86 wird in entsprechenden NutenderPoHlächen 88 und 89 verlegt. Durch dieseMassnahmewirddie Inhomogenität der Magnetisierung zwischen den Äquipotentialpolen berücksichtigt, die dadurch entsteht, dass der magnetische Fluss sich ausserhallb des Anlegejoehes in der Blechtafel inhomogen schliesst, und dass diese Inhomoge nität sieh auch noch zwischen den Äquipotentialpolen 88, d!ieeinen Abstand a voneinander haben, an den Enden der Polflächen auswirkt.
81, 82, 83 stellen die Magnetisierungswiekltm- gen, 84 und 85 die Feldmesswicklungen dar.
Die Induktionsmesswicklung 86 soll jedoch nur mit demjenigen Teil des Probenflusses verkettet werden, der durch die schraffierten Probeblechflächen S gekennzcichnet ist, weil nur in diesem mittleren Teil der magnetisierten Zone mit einer gleichmässigen Induktion gerechnet werden kann. Auch die Breite der Feldmessspulen erstreckt sich nur über diesen mittleren Bereich von der Grosse ! und aber die Länge a zwischen den Aquipotentialflächen. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ist es zweckmässig, die Breitendifferenz b-I gleich oder grösser zu machen als den doppeltenBetragd;erlichtenWeite < t.
Ein Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht auch darin,dassderQuerschnitt des Joches bzw. der Joche nicht mehr so gross und schwer ausgeführt werden muss, wie bei bisher bekannten Messeinrichtungen dieser Art. Es war bisher üblich, das Zwanzigfache des Probengewichtes oder noch mehr für die Joche zu verwenden.
Bei der beschriebenen Ausführung genügtdagegenschon das Zweibis Zehnfache des eigentlichen Probenge wiehtes. Bei so kleinen Jochgewichten ist es jedoch nicht möglich, einen sinusförmigen Induktionsverlauf dadurch zu erzwingen, dass man dieKlemmenspannungderMagnetisie- rungswicklungen sinusförmig macht. Es wird daher eine zusätzliche Verzerrerdrossel D in den Magnetisierungsstromkreis gemäss Fig. 10 geschaltet.
Die Wicklung dieser Drossel ist mit Anzapfungen versehen, und der Stromkreis wird über diejenige Anzapfung angeschlossen, für die die Induktion im Drosselkern sich zur Sättigung des Drosselkernmaterials ebenso verhält wie die Induktion derProbezum Sättigungswert des Probenmaterials. Ausser- dem wird der in der Verzerrerdrossel einge bauteLuftspaltregelbargemacht und so ein- gestellt,
dass der steile Teil der durch den Luftspalt gescherten magnetiscierungskurve der Verzerrerdrossel übereinstimmt mit der Steilheit der aus Magnetisierungsstrom und Klemmenspannung nnung and der Prüfeinrichtung sich ergebenden seheinbaren Hysteresiskurve. Die Einstellung beider Bedingungen erfolgt, empirisch in der Weise, dass der Formfaktor der Induktionskurve der Probe geprüft wird. Bei riehtiger Einstellung der Verzerrerdrossel wird dieser zeitliche Induktionsverlauf sinusförmig, sofern die Speisespannung der ge samtenMesseinrichtungzeitlichsinusförmig verläuft.
An Stelle einer solchen systemati- schen Einregelung eines sinusförmigen Induk tionsverlaufeskönnen aber aueh zwei oder mehr Messungen mit willkürlich verzerrtem Indüktionsverlaufdurchgeführtwerden, wobei in beiden Fällen der Formfaktor bestimmt werden muss. Trägt man dann nach Fig. 11 die gemessenen Verluste V über dem Quadrat des Formfaktors f auf, so kann man die erhaltene Messkurve extrapolieren (bzw. interpolieren) und auf diese Weise den zu dem Formfaktor f = 1,11 zugehärigen Verlustwert Wsim bestimmen.
Die Messung von Induktion und Feldstärke aus den in der Induktions-und Feldmessspule induzierten Spannungen erfolgt vorzugsweise über mechanische Messgleichrichter mit Drehspulinstrumenten. Die Vlessung des Verlust- wertes muss dann zweckmässig in der Weise durehgeführt werden, dass in an sich bekann- ter Weise die Messkontaktdauer und Schalt- phase so eingeregelt wird. dass für verschiedene Induktionswerte jeweils die Breite der Hysteresiskurve zwischen auf-und absteigendem Ast ermittelt wird.
Das Verfahren ist. zwar sehr genau und eignet sich auch für die Bestimmung der Verluste bis zu höehsten Induktionen in der Nähe der Sättigung. Es ist aber doch verhaltnismässig nmstäncllich, im Vergleich mit einer direkten Leistungs- messung, wie sie bei Verlustmessungen am Epstein-Apparat bisher üblieh war.
Bei der besehriebenen Ausgestaltung der Prüfeinrichtumg stehen nun so grosse Räume für die Feldmessspulen zur Verügung, dass eine Leistungsmessungmiteinemdynamischen Leistungsmesser wieder in Frage kommt. Dabei muR jedoch berücksichtigt werden, dass die Spannung an der Feldmessspule dem Diffe rentialquotienten der zu messenden Feldstärke entspricht. Um also den fiir die Strommessspule des Leistungsmessers erforderlichen, der Feldstärke selbst proportionalen Strom zu erzeugen, muss die Spannung der Feldmesssplue in an sieh bekannter Weise zunächst über Integrationsglieder integriert werden.
Als Integrationsglieder sind RC-Schaltungen nach Fig. 12 bekannt, sowie aueh LR-Schaltungen nach Fig. 13. In den Fig. 12 und 13 bedeuten : R, C bzw. R, L die Integrationsglieder aus Widerstand und Kapazität bzw. Widerstand und Induktivität, A den Verstärker, 124 bzw.
134 die Feldmessspule, 126 die Induktionsmessspule. Die Ausgänge der Integrationsglieder werden dann vorzugsweise über gegengekop- pelte Messverstärker an die Stromspule des Leistungsmessers angeschlossen, der die Verluste direkt anzeigt.
Es ist aber auch möglich, eine Kompensations. sehaltung in der Weise herzustellen, dass die Feldmessspule nach Fig. 14 sieh aus zwei einander umschliessenden Spulen zusammensetzt, von denen die innere Spule 144 dem Eingang eines Verstärkers vorzugswiese mit Integrationsstufe $#zugeführt wird, während die äussere Spule 145 in Reihe mit der Stromspule des Leistungsmessers an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen wird.
Bei hinreiehen. d hohem Verstärkungsfaktor wird sieh der Ausgangsstrom dann selbsttätig so einstellen, class die Feldstärke im Inne-rn der innern Spule 144 fast ganz kompensiert wird, das heisst also, dass der Ausgangsstrom des Verstärkers der zu messenden Feild. stärke nach Grosse und Kurvenform um so besser entsprucht, je hoher der Ver stärkungsfaktor des Verstärkers ist. Die Netz- spannungsabhängkeit, die Niehtliniarität und die Abhängigkeit des Verstärkungsfak- tors von Rohrendaten und Rohrenalterung geht bei einer solchen Schaltung prozentual nur in die Restfehler ein, das heisst sie werden um so weniger wirksam, je kleiner die ZUln AussteuerndesVerstärkerserforderliche Eingangsspannung im Vergleich zu.
derjeni- gen Eingangsspannung ist, die entstehen würde, wenn die Kompensationswicklung 145 nicht im Ausgangskreis liegt. 146 ist die In duktionsmesswieklung.
Die Empfindlichkeit und Genauigkeit einer solehen Kompensationssehaltung nach Fig. 14 kann ganz wesentlich dadureh gesteigert werden, dass die Kompensationsspule mit einem i'erromagnetiscbenKernversehen wird. Da durch steigt die Steuerspannung am Ver . stälkereingang bei einer kleinen Abweichung von der vollständigen Kompensation um den Faktor der relativen Permeabilität / 0 des Kernmaterials, so dass der erforderlicheVer- stärkungsfaktor entsprechend niedriger wird.
Der Aufwand für den Verstärker ist jedoeh immer noch. deswegen recht erheblich, da die volle Maximalfeldstärke in der Probe von der Kompensationsspule145hergestelltwer- den muss. Dieser Aufwand wird jedoeh sehr vie] kleiner, wenn man der Stromspule des Lei stungsmessers den Magnetisierungsstrom der mittleren Magnetisierungsspule 152 nach Fig. 1. und16selbstzuführt.151und 153 sind die ä. ussern Magnetisierungsspulen. Auf diese Weise würden aber jedoch die Wattver- luste des mittleren Jochstückes mitgemessen werden.
Diese können dadurch in Abzug ge braeht werden, dass man Fe'ldkompensations- Messspulen 154, 155 (nach Art der Fig. 14) vorzugsweise mit ferromagnetisehem Kern 159 zwischen das Joch 150 und die Magneti sierungsspule 152 zusätzlieh anbringt. Der Ausgang des Integrationsverstärkers A (Fig. 16) zu diesen Kompensationsspulen 154 wird in Reihe mit den Kompensationsspulen 155, die in Reihe oder parallelgeschaltet werden können, an die eine Stromspule Sp1 eines Wattmeters N angeschlossen, während eine zweite Stromspule Sp2 in Reihe mit der Ma gnetisierungswicklung 152 geschaltet ist.
Durch die beiden Stromspulen wird im Leistungsmesser eine Feldstarke wirksam, die der Differenz der gesamten Amperweindungen der Magnetisierungsspule152undderfür die Jochmagnetisierung erforderlichen Am perewindungen ist. Das sind dann aber gerade die in der Probe wirksamen Amperewindun- gen. Die Spannungsspule des Leistungsmessers wird über einen Regelwiderstand und erforderlichenfalls über einen Messverstärker vorzugsweise mit Gegenkopplung mit der Indus- tionswicklung 156 verbunden, so dass der Leistungsmesser N die Wattverluste der Probe direkt anzeigt.
Es kann auch noch ein Strommesser St vorgesehen werden, der ebenfalls mit zwei Wieklungen ausgerüstet wird, wie die Stromspule des Leistungsmessers und zur Messung der wirksamen Feldstärke in der Probe dient.
Der Vorteil der besehriebenen Anordnung g beruht darin, dass die Joch-Amperweindungen wesentlich kleiner sind als die Proben-Ampere- windungen,insbesondere bei Messungen bei hohen Induktion. Der Verstirker kann daher in seiner Ausgangsleistung wesentlich kleiner bemessen werden. Bei zweckmässiger Auslegung der Joch-und Probenquersehnitte kann man gegebenenfalls sogar ganz ohne Verstirker auskommen.
Gemäss den Fig. 17 und 18 können an die Stelle der beiden Kompensationswicklungen wiederum einfache Feldmessspulen 174, 175, vorzugsweise mit ferroma. gnetischem Kern, treten, die unmittelbar mit der einen Stromspule Sp1 des Leistungsmessers N verbunden werden, während die zweite Stromspule Sp2 in Reihe mit der mittleren Magnetisierungs- spule 172 geschaltet wird. 171 sind die äussern Magnetisierungswieklungen, 176 die Indult- tionsmesswieklung.
Die Ausführungen von Eisenprüfspulen und Anlegejochen sind nicht aussehliesslieh an die dargestellten Formen gebunden, insbesondere können alle Kombinationen von Prüfspulen und Anlegejoehen mit Feldmessspulen der versehiedenen gena. nnten Arten sinnvoll sein. Ferner ist es auch möglich, zwischen den Feldmessspulen 174, 175 und den den Probenfluss zuführenden Polen 177 der Joehe 170 Äquipotentialpole 178 anzuordnen, jeweils mit Magnetisierungswicklungen 173 gleicher oder nahezugleicherWindungszahlzwischen benachbarten Polen nach Art der Fig. 19.
Auf diese Weise können die den Feldmessspulen benachbarten Äquipotentialpole noch zuver lässiger von der Führung magnetischer Flüsse entlastet, werden, insbesondere, wenn die Proben mit grosseren Luftspalten zwischen den Polen liegen, wie es in Frage kommt, wenn die Messeinrichtung zur fortlaufenden Messung an n durchlaufenden Bändern verwendet wird. In diesem Fall ist es zweckmässig, zusätz- liche nicht ferromagnetischePolschuhe auf allen Polen vorzusehen und das Probeblech oder Band mit der Messeinrichutng nicht fest zuklemmen,sondern den freien Spalt zwischen den Polsehuhen grosser als die Banddicke zu wählen.
Es ist auch zweckmässig, dieMagne- tisierungsspulen, die den den Probenfluss führenden Polen benachbaW. sind, nach Art der Fig. 15, 17 und 19 nicht bis in unmittelbare Nähe des Luftspaltstreuflusses und in diesen hineinreichen zu lassen, sondern die icklung entsprechend abzusetzen.