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Anordnung zur Ermittlung der Meßgrößen die zur Bestimmung der Hystereseschleife
ferromagnetischer Stoffe erforderlich sind Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf eine Anordnung zur Ermittlung der Meßgrößen, die zur Bestimmung der statischen
Hystereseschleife und der auf sinusförmige Magnetisierungsspannung bezogenen dynamischen
magnetischen Hystereseschleife ferromagnetischer Stoffe erforderlich sind, an einem
mit Wechselströmen verschiedener Kurvenform magnetisierten Prüfling ohne Messung
des Formfaktors des Wechselstromes.
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Die üblichen Verfahren zur Messung der statischen Hystereseschleife,
beispielsweise mit dem ballistischen Galvanometer, sind, besonders bei Aussteuerung
bis zu hchen Induktionen, umständlich. Demgegenüber lassen sich dynamische Hystereseschleifen
bei Ävechselstroinnagnetisierung erheblich einfacher aufnehmen.
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Der Unterschied zwischen statischer und dynamischer Hystereseschileife
liegt vor allem darin, daß lurch den Wechselstrom zusätzliche Wirbelströlme hervorgerufen
werden, die die statische Hystereseschleife verbreitern, Diese Verbreiterung der
Schleife ist in erster Annäherung in jedem Angenblick der durch die Indukticnsänderung
dB induzierten Spannung U proportional. Dies trifft genau zu, solange der wirlisame
Wirbelstromwiderstand im Eisen der Konstante, d. h. unabhängig von der Induktion,
der Änderungsgeschwindigkeit der Induktion usw. ist, Man kann also aus der dynamiscken
Hystereseschleite die statische erhalten, indem man von jedem Augenblickswert der
Induktion einen dem augenblickswert des Wirbelstromes entsprechenden Betrag vom
Augenl) licksu-ert der Feldstärke abzieht. Die Größe des Wirbelstromes hängt von
dem zeitlichen Verlauf der Induktion ab. Da es nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten
möglich ist, einen sinusi'ormigen Induktionsverlauf zu erzwingen, auf den alle Messungen
bezogen werden, ist ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der auf sinusförmigen
induktionsverlauf bezogenen Verluste auf diese Abbingigkeit des Wirbelstromes aufgebaut.
Es werden dabei die Verluste bei künstlich verschieden verzerrten Induktionen und
der Formfaktor der Magnetisierungspannung gemessen. Trägt man die Verluste als Funktion
des Formfaktors auf, so kann man auf die Verluste bei sinusformiger Induktivität
extrapolieren. Bei diesem bekannten Verfahren bereitet jedoch die Messung des Formfaktors
mit ausreichender Genauigkeit große Schwierigkeiten. Für seine Bestimmung ist die
Messung des Effektivwertes der Spannung erforderlich, für den keine Meßgeräte mit
ausreichender Meßgenauigkeit zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, die Hystereseschleife, aus der
sich die Verluste und andere
interessierende magnetische Größen bestimmen lassen,
bei Gleichstrommagnetisierung, d. h. die statische Hystereseschleife, und die dynamische
magnetische Hystereseschleife bei sinusförmiger Magnetisierungsspannung aus Messungen
bei verzerrten Magnetisierungssannungen zu ermitteln. Dies ist mit einer Anordnung
zur Ermittlung der Meßgrößen, die zur Bestimmung der statischen Hystereseschleife
und der auf sinusförmigel Manetisierungsspannung bezogenen dynamischen magnetischen
Hystereseschleife ferromagnetischer Stoffe erforderlich sind, an einem mit Wechsel
strömen verschiedener Kurvenform magnetisierten Prüfling ohne Messung des Formfaktors
des Wechselstromes möglich, die nach der Erfindung gekennzeichnet ist durch ein
an sich bekanntes integrierendes Meßgerät mit mechanischem Meßgleichrichter, insbesondere
mit einstellbaren G9ontaktzeiten, in Verbindung mit ohmschen, induktiven oder kapazitiven
Vor- und Nebenwiderständen, das über einen Dreifach-Umschalter zur M, essung einer
dem Augenblickswert der magnetischen Feldstärke proportionalen Spannung in an sich
bekannter Weise an die Sekundärwicklung einer Gegeninduktivität im Magnetisierungsstromkreis,
zur Messung einer dem Augenblickswert der magnetischen Induktion proprotionalten
Spannung in an sich bekannter Weise an eine Induktionsmeßspule und zur Messung einer
dem Augenblickswert der den Wirbelstrom treibenden Spannung proportionalen Spannung
an ein die in der Induktionswicklung induzierte Spannung differenzierendes Schaltelement
angeschlossen ist. Aus den Augenblickswerten der magnetischen Feldstärke und der
magnetischen Induktion läßt sich die zugehörige Hystereseschlei fe konstruieren.
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Die Magnetisierungsspannung kann durch Vorschalten von Drosseln,
Widerständen, Kondensatoren
oder auf andere Weise verzerrt werden,
so daß bei bestimmten Augenblickswerten der magnetischen Induktion B die zugehörigen
Augenblickswerte der in der Induktionsmeßwicklung induzierten Spannung U entsprechend
der Verzerrung variieren. Mit dieser Spannung U variieren auch die Augenblickswerte
des Wirbelstromanteils der Feldstärke. Da die Augenblickswerte der Spannung t- und
die entsprechenden Augenblickswerte des Wirbelstromes in erster Annäherung einander
proportional sind, ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Verbreiterung
der Hystereseschleife bei einer bestimmten Induktion und der Annäherung des Augenblickswertes
der zugehörigen Spannung Z'. Extrapoliert man diesen geradlinigen Zusammenhang auf
die Spannung U = 0. so erhält man die breite der statischen Hystereseschleife blei
diesem Augenblickswert der Induktion, Extrapoliert man nicht auf den Spannungswert
U = 0, sondern auf denjenigen Augenblickswert der Spannung U, welcher zu sinusförmigem
Verlauf der magnetischen Induktion gehört, so kann man aus den Breiten der Hystereseschleifen
bei verzerrten Spannungen rückwprts extrapolieren auf den Hystereseschleifenverlauf
bei sinusförmiger magenetischer Induktion.
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Dies letztere ist bei der N-erlustmessung an Eisenproben oder fertigen
Umspannern u. dgl. von hesonderer Bedeutung. Bei diesen weicht infolge des praktisch
stets verzerrten Magnetisierungsstroms der Induktionsverlauf im Eisen von der Sinusform
ab, während die Eisenverluste üblicherweise für sinusförmigen Verlauf der Induktion
definiert sind, Diese Schwierigkeit wird um so größer, je größer die Sättigungsspitze
des Magnetisierungsstromes ist, d. h. je härter das untersuchte Material und je
höher der Aussteuerungsgrad der Hystereseschleife ist.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann auch benzutzt werden, um bei
Wechselstrommagnetisierung die aufteilung der Verluste auf Hysterese- und Wirbelstromanteile
vorzunehmen ; denn der flächeninhalt der statischen Hystereseschleife, die auf dem
oben beschriebenen Wege ermittelt werden kann. entspricht den reinen Hystereseverlusten,
während der Flächeninhalt der zu sinusförmiger Spannung gehörenden Hystereseschleife
die Summe von Hysterese-und Wirbelstromverlust darstellt, An Hand der Zeichnung
sei die Anordnung nach der Erfindung und eine der sich daraus ergebenden Auswertemöglichkeiten
im einzelnen erläutert, In Fig. 1 ist mit 1 ein Ringkern bezeichnet, dessen magnetische
Eigenschaften untersucht werden sollen.
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2 ist eine Gegeninduktivität und 3 ein veränderbarer Vorschaltwiderstand,
mit dem die die Primärwicklung 7 des Ringkernes erregende Magnetisierungsspannung
verzerrt werden kann, 4 stellt einen mechanischen Meßkontakt und 5 ein Galvanometer
dar, mit deren Hilfe in bekannter \N'eise die Augeublkicswerte der magnetischen
Induktion und der Feldstärke bzw. der Spannung und des Stromes gemessen werden können,
Vor das Galyanometer ist eine Glättungsdrossel 6 geschaltet, die besonders bei hohen
Induktionen erforderlich ist. um die durch Zeigervibrationen des Galvanometers erzeugten
5 törspailnuilgen zu unterdrücken. In Schalterstellung 10 wird ülier einen Vorwiderstand
8 die in der Sekundärwicklung der Gegeninduktivität 2 induzierte Spannung integriert.
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Das Galvanometer 5 zeigt dabei die Augenblickswerte des Stromes I
im Magnetisierungsstromkreis und damit der Feldstärke H im Ringkern an. In Schalterstellung
11 wird über einen Widerstand 9 die Span-
nung an der Induktionsmeßwicklung 13 integriert.
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Dadurch werden mit dem Galvanometer die Augenblickswerte der Induktion
13 im Ringkern gemessen, In Schalterstellung 12 wird über den Kondensator 14 an
dem Widerstand 15 ein Spannungsabfall erzeugt, der proportional dem zeitlicheil
Differentialquotienten der in der Induktionsmeßwicklung 13 induzierten Spannung
ist. Dieser Differentialquotient wird durch die Meßeinrichtung integriert, so daß
das Galvanometer 5 in Schalterstellung 12 die Augenblickswerte der Spannung an der
Induktionsmeßwicklung 13, d. h. die Augenblickswerte der den Wirbelstrom treibenden
Spannung U-. anzeigt. Durch Änderung der Schaltzeiten des Meßkontaktes 4, bispielsweise
durch Reihenschaltung zweier in der Phase gegeneinander verschiebbarer Meßkontakte
an Stelle des in der Fig. t gezeichneten Einzelmeßkontaktes 4, läßt sich in bekannter
Weise nicht nur der Augenblickswert der Feldstärke H, sondern direkt die Breite
#H der Hystereseschleife messen. Dieses Meßverfahren ist bei der Ermittlung der
Eisenverluste aus dem Flächeninhalt der Hystereseschleife. besonders bei hoheii
Induktionen. außerordentlich vorteilhaft.
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Fig. 2 zeigt die in Ausführung der Erlindung sich aus der bekannten
Anordnung ergebende Möglichkeit zur Bestimmung der Koerzitivkraft, d. h. der Breite
der Hystereseschleife beim augenblickswert Null der Induktion, und zur Bestimmung
der Breiten der statischen Hvstereseskchleife und der dvnamischen Hysteresesclleife
bei sinusförmiger Induktion. Die Kurven #H1, iH und #H3 stellen die mit verschiedenem
Verzerrungsgrad der Magnetisierungswechselspannung. hervorgerufen durch den Vorschaltwiderstand
3 der Schaltung nach fig. 1. gemessenen Breiten der dynamischen Hystereseschleife
abhängig vom Augenblickswert der Induktion B dar, Der flächeninhalt der Kurven ist
also ein Maß für die Eisenverluste bei dem betreffenden Verzerrungsgrad der Spannung,
Die #H-Kurve für sinusförmigen spannungsverlauf läßt sich nicht direkt messen, da
im Primärstromkreis des Ringkernes stets Widerstände vorhanden sind. an denen die
Sättigungsspitze des Magnetisierungsstromes Spannungsabfälle hervorruft, die die
Sinusforni der Netzspaiinung verzerren. Trägt man jedoch über die den dynamischen
Koerzitivkräften Hc1, Hc2, Hc3 entsprechenden Breiten der Hystereseschleifen bei
der Induktion B = 0 die zugehörigen in Schalterstellung 12 gemessenen Augenhblickswerte
U1, U2, U3 der Spannung U an der Induktionsmeßwicklung auf. so liegen die Meßpunkte
auf einer Geraden G. Diese Gerade ergibt einen deni Spannungswert U0. der sinusförmigem
Induktions. verlauf entspricht, zugehörigen Wert Hc der dynamischen Koerzitivkraft.
damit hat maii einen Punkt der dynamischen Hystereseschleife für sinusförmige induktion.
nämlich den Punkt 1-3=0 gefunden. Wendet man das gleiche Verfahren für andere Zeitpunkte,
d. 11. für Werte B verschieden von Null an. so kann man der Reihe nach alle runkte
der Kurve #H für sinusförmige Induktion bestimmen. Nerlängert man die Gerade G in
Fig. 2 bis zum Schiiittpunkt der mit der #H-Achse so erhält man die Koerzitivkraft
Hc0 für den statischen fall, Bei sinusförmiger Induktion nimmt im H-B-diagramm der
Wirbelstromanteil #Hw der Hvstereseschleife mit wachsender Induktion ellipsenförmig
ab, wie es die schraffierte Fläche in Fig. 2 andeutet, Vermindert man daher bei
jeder Induktion B die werte #H um den Betrag #Hw, so erhält man die Breite #H0 der
statischen Hystereseschleife. Ihre Fläche stellt die Hystereseverluste dar,
während
die Fläche der schraffierten Ellipse ein Niaß für die Wirbelstromverluste bei Sinusform
ist.
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Statt, wie angegeben. die Geraden G für versichiedene Werte von B
zu bestimmen, kann man sich auch damit begnügen, diese Gerade wie in Fig. 2 nur
für den Zeitpunkt B=O zu zeichnen. Man kann dann aus der am wenigsten verzehrten
gemessenen Kurve #H1 auf di@ Kurve #H für sinusform zurückschließen, indem man annimmt,
daß die Differenzen #Hwt ähnlich ellipsenförmig mit wachsender Induktion B abnehmen
wie die Differenz #Hw. Dieses Verfahren ist nicht ganz so genau. weil für die Kurve
#H1 die Spannung nicht mehr genau sinusförmig ist. Der Fehler ist jedoch cin Fehler
einer Korrektur und daher in vielen Fällen erträglich.
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Verzerrt man die Wechselspannung t so, daß der Differentialquotient
dB/dt im Zeitpunkt B = 0 ebenfalls Null ist. bG hat dies zur Falge. daß im Zeitpunkt
B = 0 keine Verbreiterung der dynamischen Hystereseschleife durch Wirbelströme auftritt,
d. h., man mißt iii diesem Fall mit der Anordnung nach Fig. 1 direkt die statische
Kocrzitivkraft Hc0. Man kann Spannungen. die den hierfiir gewünschten zeitlichen
Verlauf von B zur Folge haben. auf verschiedene Weise erzeugen, beispielsweise durch
Überlagerung einer dritten Oberwelle geeigneter Größe und Phasenlage über die Grundwelle.
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Die Anordnung nach der Erfindung kann sowohl angewendet werden zur
Bestimmung der Verluste fertiger Umspanner, besonders bei hohen Induktionen, als
auch für die Untersuchung von Eisenprohen im Laboratorium. Die Proben können dabei
Ringform haben wie in Fig. 1, man kann jedoch auch Streifen oder Blechtafeln damit
untersuchen. Messungen an technisch verwerteten Blechen verschiedener Art haben
ergeben, daß die der Erfindung zugrunde liegende Voraussetzung. daß der Wirbelstromwiderstand
unabhängig von B. bB usw. ist und daß dadt her die Wirbelstromverbreiterung der
dynamischen Hystereseschleife proportional dem Augenblickswert der Spannung U ist,
in für die vorliegenden Meßzwecke genügendem Maße erfüllt ist.
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Die Neigung der Geraden G in Fig. 2 ist proportional dem Wirbelstromwiderstand
des untersuchten
Eisens. Dieser hängt bei gegebenem Material quadratisch von der
Dicke des Bleches ab. Bei gegebenem Material ist also die Neigung der Geraden G
ein empfindliches Mal für die Dicke des Bleches. Sie kann also aus dieser Neigung
hestimmt werden.
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Andererseits kann aus der Neigung bei bekannter Dicke des Bleches
auch die effektive Wirhelstromleitfähigkeit des Bleches errechnet werden.