Dreheisen-Messgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Dreheisen-Messgerät, das z. B. als Spannungsmesser, Strommesser, Indikator sowie auch in einem elektromagnetischen Relais mit drehbarem Anker eine weitgehende Verwendung finden kann.
Es sind Dreheisenmessgeräte bekannt, die ein bewegliches und ein festes ferromagnetisches Element enthalten, wobei das feste ferromagnetische Element mit einer Messspule versehen ist, wobei der durch den sie durchfliessende Strom erregte magnetische muss sich nacheinander über das bewegliche und das feste ferromagnetische Element und über die Luftspalte zwischen den erwähnten Elementen schliesst und ein dem Strom in der Messspule proportionales Drehmoment erzeugt.
Das bewegliche ferromagnetische Element ist in der Regel drehbar gelagert und mit einem Zeiger verbunden.
Bei einem bekannten Dreheiseninstrument ist eine zylindrische Messspule vorgesehen, in deren Innerem das bewegliche Element (Dreheisen) unsymmetrisch zur Spulenachse gelagert ist.
An der Innenwand der Spule ist ein fester Kern angeordnet. Die Drehachse des beweglichen Elements fällt mit der Spulenachse zusammen und dieses bewegliche Element macht bei einer Auslenkung eine Kreisbewegung.
Es ist ferner ein Dreheiseninstrument bekannt, bei welchem die Drehachse des beweglichen Elements senkrecht zur Achse der Messspule liegt. Bei einer derartigen Anordnung der Drehachse muss das bewegliche Element so ausgeführt werden, dass es in den Innenraum der Messspule gelangen kann.
Schliesslich sind auch andere Ausführungsformen von Dreheiseninstrumenten bekannt, darunter auch solche mit einer auf dem festen ferromagnetischen Element befestigten Messspule, ausserhalb welcher ein bewegliches ferromagnetisches Element liegt, das mit dem erwähnten festen ferromagnetischen Element zusammenwirkt.
Die genannten bekannten Ausführungen der Dreheiseninstrumente haben grundsätzlich folgende Nachteile: eine ungenügende Ausnutzung des Magnetflusses, der grösstenteils zerstreut und unwirksam bleibt; eine verhältnismässig begrenzte Empfindlichkeit; eine störende Belastung des beweglichen Elementes durch achsiale und radiale Kräfte.
Die Erfindung hat den Zweck, ein Dreheisen-Messgerät zu schaffen, dem die obigen Nachteile weitgehend nicht anhaften, das einfach in der Konstruktion ist, eine hohe Empfindlichkeit aufweist und eine Möglichkeit der Eichung und Justierung freilässt.
Dabei kann das vorgeschlagene Dreheisenmessgerät derart ausgeführt sein, dass mit Sicherheit eine hohe Genauigkeitsklasse erreicht wird, wobei ein genügender Schutz gegen fremde magnetische Felder und eine angenähert lineare Skalenteilung gewährleistet bleibt.
Dabei können Skalen mit unterdrücktem Nullpunkt oder mit der Überlastungseinteilung an einem Teil der Skale und für Orosswinkel-Instrumente mit Drehwinkel 270 vorgesehen sein.
Um die angegebenen Zwecke zu erreichen, hat man sich die Aufgabe gestellt, die Oberfläche des beweglichen ferromagnetischen Elementes weitgehend auszunutzen und dadurch die Induktivität der Messspule wesentlich zu erhöhen.
Dies wird durch das vorgeschlagene Dreheisen-Messgerät erreicht, das ein bewegliches und ein festes ferromagnetisches Element aufweist, wobei das feste ferromagnetische Element mit geschlitzten Polschuhen, in deren Schlitzen das erwähnte bewegliche ferromagnetische Element angeordnet ist, und mit einer Messspule versehen ist, wobei der durch den sie durchfliessenden Strom erregte Magnetfluss sich nacheinander über das bewegliche und über das feste ferromagnetische Element und die Luftspalte zwischen den erwähnten Elementen schliesst und ein dem zu messenden Strom in der Messspule proportionales Drehmoment erzeugt, durch wel ches das bewegliche ferromagnetische Element in einer Kreisbewegung auslenkbar ist;
welches Messgerät erfin- dungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass das bewegliche ferromagnetische Element eine bezüglich seiner Drehachse unsymmetrische Form hat, wobei die Polschuhe des festen ferromagnetischen Elementes sich in ihrer Form voneinander unterscheiden und unsymmetrisch zu der erwähnten Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes angeordnet sind.
Zweckmässig ist die unsymmetrische Form des beweglichen, ferromagnetischen Elementes so gewählt, dass das Verhältnis zwischen dem Abstand der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elements bis zu dem der obigen Drehachse nächstliegenden Punkt des sich im Luftspalt des mehr von der erwähnten Achse entfernten Polschuhes bewegenden Randes des erwähnten beweglichen ferromagnetischen Elementes und dem Abstand von der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes bis zu dem von der erwähnten Drehachse entferntesten Punkt des erwähnten Randes des beweglichen Elementes zwischen 0,1 und 1 liegt, wobei zugleich die Entfernung von den an den zueinander gewandten Rändern der Polschuhe des festen Elementes liegenden Punkten bis zu der Drehachse des beweglichen Elementes das 0,
1- bis 3fache der maximalen Entfernung vom Rand des beweglichen Elementes bis zu seiner Drehachse betragen kann.
Nach einer weitern Ausführung ist es für die Erweiterung des Drehwinkels des Zeigers zweckmässig, dass der von der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes entferntere Polschuh des festen Elementes den weniger von der Drehachse entfernten Polschuh um einen Winkel von 320 umfasst.
Es ist auch zweckmässig, dass das Verhältnis der durch das bewegliche ferromagnetische Element und dem weniger von der Drehachse entfernten Polschuh gebildeten Luftspaltfläche zu der durch das bewegliche ferromagnetische Element und dem mehr von der obigen Drehachse entfernten Polschuh gebildeten Luftspaltfläche beim vollen Ausschlag des beweglichen ferromagnetischen Elementes zwischen 0,5 bis 10 liegt.
Nach einer weiteren Ausführung ist es vorteilhaft, die Messspule des Dreheisen-Messgerätes, insbesondere bei seiner Verwendung als Spannungsmesser, aus einem Draht mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 0,03 Ohm mm2/m zu wickeln.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1, 2 ein Messgerät, das beispielsweise als Strombzw. Spannungsmesser mit angenähert linearer Skalenteilung ausgeführt ist, in Seiten bzw. Voderansicht,
Fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8 einige Ausführungsformen des beweglichen ferromagnetischen Elementes,
Fig. 9 ein Messgerät, beispielsweise für einen Strombzw. Spannungsmesser, mit Uberlastungseinteilung an einem Teil der Skala,
Fig. 10 ein Messgerät, beispielsweise für einen Strom- bzw. Spannungsmesser, mit einem totalen Zeigerausschlag von 3200.
Das feste ferromagnetische Element (Magnetleiter) des in Fig. 1, 2 dargestellten Messgerätes besteht aus einem Hauptkern 1, auf dem eine Messspule 2 angebracht ist, und aus Polschuhen 5 und 6, die an dem Kern mittels Schrauben 3 und 4 festgeklemmt sind. Die beiden Polschuhe 5 und 6 sind mit einem länglichen Schlitz 7 ausgeführt. Zwischen den Polschuhen 5 und 6 ist das bewegliche ferromagnetische Element 8 drehbar gelagert. Seine Achse 9 mit dem Zeiger 10 und mit anderen Konstruktionsteilen, z. B. dem rückkraftbildenden federnden Element (in Fig. 1, 2 nicht gezeigt) liegt im Bereich des inneren Polschuhes 5, der einen für die Montage der Achse 9 dienenden ausgeschnittenen Durchgang 11 und eine Öffnung 12 besitzt.
Der mehr von der erwähnten Drehachse 9 des beweglichen Elementes 8 entfernte Polschuh 6, der nachstehend als der äussere Polschuh 6 bezeichnet werden soll und das bewegliche ferromagnetische Element 8 bilden einen Luftspalt 13.
Der weniger von der erwähnten Drehachse 9 des beweglichen Elementes 8 entfernte Polschuh 5, der nachstehend als der innere Polschuh bezeichnet werden soll, und das bewegliche ferromagnetische Element 8 bilden einen Luftspalt 14.
Um eine hohe Empfindlichkeit des Messwerkes bei einem beträchtlichen Drehwinkel zu erreichen, ist das erwähnte bewegliche ferromagnetische Element 8 unsymmetrisch an der Drehachse 9 angeordnet.
Das bewegliche ferromagnetische Element 8 mit der Achse 9 macht bei einer Auslenkung eine Kreisbewegung im Schlitz 7 der Polschuhe 5 und 6, wodurch die magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) der Luftspalte 13 und 14 infolge der Änderung der Luftspaltenflächen geändert wird.
Die Änderung der Permeabilität der Luftspalte 13 und 14 je nach dem Winkel der Drehbewegung des ferromagnetischen Elementes 8 kann nach folgenden Gleichungen erfolgen: Im ersten Fall ist d013 0 und d014 > (1) da da Hierbei ist: G, - Permeabilität des Luftspaltes 13, 014 - Permeabilität des Luftspaltes 14, a - Drehwinkel des beweglichen ferro magnetischen Elementes 8.
Daraus errechnet sich das auf das bewegliche Element wirksame Drehmoment M durch die Beziehung:
EMI2.1
Hierbei ist Iw - die Amperewindungszahl der Messspule 2.
Zweckmässig ist in diesem Falle das Verhältnis zwischen den Permeabilitätswerten der Luftspalte bei maximalem Drehwinkel (a = amax) des beweglichen ferromagnetischen Elementes so zu wählen, dass 0i8max = 1 ist (3) G14 max Hierbei sind: G13 max, 014 max - die maximale Permea bilität des Luftspaltes 13 bzw. des Luft spaltes 14 beim vollen Zeigerausschlag.
Im zweiten Fall, wenn: dG19 = 0 und 0 (4) da - 0 uns da ist, ist das Drehmoment
EMI3.1
Zweckmässig ist es hier, das Verhältnis zwischen den Permeabilitätswerten der Luftspalte bei a = amaX so zu wählen, dass Gia max = 2 ist (6) G14 max Im dritten Fall, wenn: dGt3 < 0 und MOH > O (7) da da ist, ist das Drehmoment
EMI3.2
Zweckmässig ist es hier, das Verhältnis zwischen den Permeabilitätswerten der Luftspalte bei a = amax mit Glamax ¯ 5 9 (9)
G14 max zu wählen.
Eine andere wichtige Charakteristik jedes beschriebenen Falls ist eine wirksame Ausnutzung fast der ganzen Oberfläche des beweglichen ferromagnetischen Elementes (80-95 s/o) bei a = amax zur Bildung der Luftspalte 13 und 14.
Bei einem gegebenen Gewicht des beweglichen Elementes lässt sich durch diese Eigenschaft die Permeabilität der erwähnten Luftspalte und dadurch auch die Empfindlichkeit des Messwerkes wesentlich steigern.
Es ist bekannt, dass die Permeabilität des Luftspaltes auch von der Länge und der Oberfläche abhängig ist.
Die Länge des Luftspaltes, die durch den Abstand zwischen der Oberfläche des beweglichen Elementes und der Oberfläche der unbeweglichen Polschuhe gegeben ist, wird gewöhnlich so klein gewählt, wie es die Herstellungsmethoden und die Konstruktionsforderungen zulassen.
Deswegen können die erwähnten Zusammenhänge grundsätzlich als ein Verhältnis der mit der Fläche des beweglichen ferromagnetischen Elementes und den Flächen des inneren und äusseren Polschuhes gebildeten Luftspaltoberflächen und als ein Verhältnis der Abmessungen des beweglichen ferromagnetischen Elementes und der Polschuhe festgelegt werden.
Zweckmässig liegt das Verhältnis zwischen dem Abstand von der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes bis zu dem der obigen Drehachse nächstliegenden Punkt (16, Fig. 9) des sich im Luftspalt des äusseren Polschuhes bewegenden Randes des erwähnten beweglichen ferromagnetischen Elementes und zwischen dem Abstand von der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes bis zu dem von der obigen Drehachse entferntesten Punkt desselben Randes des beweglichen ferromagnetischen Elementes zwischen 0,1 und 1, wobei zweckmässig die Entfernung von den zueinander zugewandten Rändern der Polschuhe des festen ferromagnetischen Elementes liegenden Punkten bis zu der Drehachse des beweglichen ferromagnetischen Elementes das 0,
1- bis 3-fache der maximalen Entfernung des Randteils des beweglichen ferromagnetischen Elementes von seiner Drehachse angenommen wird.
Die Luftspalt-Permeabilität kann bekanntlich auch dadurch beeinflusst werden, dass die Luftspaltlänge ver ändert wird, indem die Polschuhe 5 und 6 nicht parallel zu der Oberfläche des beweglichen Elementes 8, sondern mit einer Neigung zu dieser Oberfläche verlaufend ausgebildet werden.
Die zwischen jeden der zwei Teile der geschlitzten Polschuhe 5 und 6 und dem beweglichen ferromagnetischen Element 8 (Fig. 1) liegenden Luftspalte 13 und 14 sind im dargestellten Beispiel symmetrisch zu der Ebene des beweglichen Elementes 8.
Deswegen werden die achsial gerichteten, durch das Zusammenwirken des magnetischen Feldes und des beweglichen ferromagnetischen Elementes hervorgerufenen Kräfte gegenseitig abgeglichen.
Die Polschuhe 5 und 6 decken, wie erwähnt, fast die ganze Fläche des beweglichen Elements 8 ab und schützen dadurch das Messgerät vor der Einwirkung fremder magnetischer Felder.
Die Justierung und die Eichung des Messgerätes ist leicht möglich, beispielsweise durch Verschwenken der Polschuhe 5 und 6, die an den Hauptkern 1 mit den Schrauben 3 und 4 festgeklemmt sind. Vor der Eichung sind die erwähnten Schrauben 3 und 4 zu lösen und danach wieder festzuschrauben.
Die, die Umrisse des beweglichen ferromagnetischen Elementes und die Form der Polschuhe bildenden Linien können bei Erfüllung der obenerwähnten Zusammenhänge grundsätzlich auch verschieden gebildet sein oder sich gewissen geometrischen Figuren, z. B. Kreis, Archimedische Spirale u. a. annähern.
Diese Linienform wird je nach der gewünschten Charakteristik der Skalenteilung gewählt.
Die Fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8 zeigen einige Ausführungsformen für das bewegliche ferromagnetische Element 8, das an der Achse 9 drehbar angebracht ist.
Fig. 3 zeigt eine Form des beweglichen ferromagnetischen Elementes, die ziemlich einfach und vorzugsweise für Instrumente mit quadratisch geteilten Skalen zu verwenden ist.
Fig. 4 zeigt eine Form des beweglichen ferromagnetischen Elementes, die im Vergleich mit der in Fig. 3 gezeigten Form des beweglichen Elementes den Drehwinkel der Skale erweitern.
Fig. 5 zeigt eine Form des beweglichen ferromagnetischen Elementes, die für die Instrumente mit angenähert linearer Skaleneinteilung empfohlen wird.
Die in Fig. 6 gezeigte Form passt für Instrumente, die einen schweren Zeiger besitzen. Das Gewicht des Zeigers wird in diesem Falle von dem weit von der Drehachse entfernten Teil des beweglichen Elementes ausgeglichen.
Fig. 7 zeigt eine Form des beweglichen ferromagnetischen Elementes, die für die Instrumente mit einem Drehwinkel bis 320 empfohlen wird.
Fig. 8 zeigt eine Form des beweglichen ferromagnetischen Elementes, die vorzugsweise für Instrumente mit Oberlastungsteil an dem Skalenende zu verwenden ist.
Zweckmässig sind dabei solche Formen des beweglichen Elementes, bei denen bei vollem Ausschlag das Verhältnis der durch das bewegliche ferromagnetische Element und den inneren Polschuh gebildeten Luftspaltfläche zu der durch das bewegliche ferromagnetische Element und den äusseren Polschuh gebildeten Luftspaltfläche zwischen 0,5 und 10 liegt.
Zweckmässig sind auch solche Formen, bei denen das Gewicht des aktiven ferromagnetischen Teils des beweglichen Systems 30-60 O/o des Gewichtes der nicht mit dem Erzeugen des Drehmomentes zusammenhängenden Konstruktionsteile des erwähnten beweglichen Systems aufweist.
Das beschriebene Messgerät kann sowohl an einer festen Achse mit Spitzenlagerung des beweglichen Systems als auch mittels Spannbandlagerung desselben ausgeführt werden.
Im Messgerät können auch verschiedene Dämpfungsarten (Luftdämpfung, Induktionsdämpfung oder Flüssigkeitsdämpfung) verwendet werden. Alle diese Teile der Konstruktion sind in den Zeichnungen nicht dargestellt, weil sie keinen entscheidondenEinf'fS'ussauf die Erfindung ausüben; anstatt dieser wird in der Beschreibung von dem allgemeinen Begriff Konstruktionselemente gesprochen.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den inneren und äusseren Polschuh des festen ferromagnetischen Elementes für den Fall, wenn ein Skalenteil mit Uber- lastungseinteilung ausgeführt sein soll. Die Bezugszeichen sind den für die Fig. 1 geltenden gleich. Der Unterschied in der Ausführung des Messwerkes im Vergleich mit dem in Fig. 1 gezeigten Messwerk ist durch die obendargestellt, weil sie keinen entscheidenden Einfluss auf die Erfindung ausüben; anstatt dieser wird in der Be schreibung von dem allgemeinen Begriff Konstruk- tionselemente gesprochen.
Selbstverständlich können solche Ausnehmungen bzw. Warzen sowohl an dem inneren oder äusseren Polschuh als auch an dem beweglichen ferromagnetischen Teil ausgeführt werden. Dabei ist es zweckmässig, die oben erwähnten Zusammenhänge zwischen ihren Oberflächen und die festgelegten Gewichtsverhältnisse zu gewährleisten.
Fig. 10 zeigt ein Messgerät, das für eine Skala mit einem grossen Drehwinkel des Zeigers bis 3200 ausgelegt ist.
Die Bezugszeichen sind den für die Fig. 1 geltenden gleich. Der Unterschied in der Ausführung der Polschuhe des Messwerkes besteht darin, dass der äussere Polschuh 6 den inneren Polschuh 5 bis 320 umringt.
Wenn ein auf die beschriebene Art gebautes Messgerät, wie es bei Spannungsmessern üblich ist, einen hohen Innenwiderstand aufweisen soll, ist es zweckmässig, die Messspule aus Draht zu wickeln, der einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 0,03 Ohm mm2/m beiitt t (z. B. Manganin).
Das macht einen üblichen Zusatz-Vorwiderstand überflüssig und verbessert die Eigenschaften des Instrumentes in bezug auf die Temperaturabhängigkeit, wel che durch den Temperaturkoeffizienten des Kupfers bedingt ist.