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Elektrisches Meßinstrument mit Schwenkspule Die Erfindung betrifft
ein elektrisches Meßinstrument mit einer in einem permanentmagnetischen Feld beweglichen
stromdurchflossenen Spule.
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Bei den gebräuchlichen Drehspulinstrumenten hängt das erzeugte Drehmoment
vom Querschnitt der Spule ab. Um ein höheres Drehmoment zu erzeugen, muß auch die
Spule entsprechend größer bemessen werden. Dadurch sind dem wirksamen Drehmoment
dieser Drehspulinstrumente Grenzen gesetzt.
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Es ist ein elektrisches Meßinstrument mit einem magnetischen System
bekannt (USA.-Patentschrift 2 840 782), welches einen permanenten Magneten aufweist,
der mit einer Polfläche an einem den Magneten umgebenden Weicheisenjoch anliegt,
welches mit der anderen konvexen Polfläche des Magneten einen gekrümmten Luftspalt
bildet, und mit einer stromdurchflossenen Spule, welche außerhalb des Joches im
Krümmungsmittelpunkt des Luftspaltes schwenkbar gelagert und mit ihrer einen Seite
in dem Luftspalt beweglich ist. Bei diesem System umgibt die bewegliche Spule den
gesamten Magneten und den äußeren Teil des Joches. Auch bei dieser Konstruktion
ist das erzeugte Drehmoment direkt proportional dem Querschnitt der beweglichen
Spule. Ein großer Teil der Spule liegt außerhalb des Luftspaltes, so daß sich ebenfalls
ein ungünstiges Drehmoment im Verhältnis zu den Spulenabmessungen ergibt.
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Es ist ferner ein Relais bekannt (USA.-Patentschrift 1163 070),
bei welchem das magnetische System zwei Elektromagneten aufweist, die von einem
Joch umgeben sind und die mit zwei gleichnamigen Polflächen einander gegenüberliegen,
zwischen denen ein den Kraftfluß aufnehmender ferromagnetischer Kern angeordnet
ist. Auf dem Kern ist eine Spule quer zur Richtung der Feldlinien beweglich. Dabei
werden die Spule und die Elektromagneten von Wechselstrom gespeist, und durch Abschalten
des Feldes, also der Elektromagneten, wird ein Schaltvorgang ausgelöst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßinstrument zu schaffen,
welches ein günstigeres Drehmoment im Verhältnis zu den Abmessungen der beweglichen
Spule liefert als die vorerwähnten bekannten Instrumente. Dies wird erreicht einmal
durch einen Grundaufbau des Instruments und seines Magnetsystems, welcher ungefähr
dem des erwähnten Relais entspricht, zum anderen durch eine spezielle konstruktive
Ausgestaltung des Magnetsystems, welche die Anwendung eines Höchstmaßes an magnetischem
Material bei einem Mindestmaß an magnetischer Streuung von den Rändern der konkaven
Polfläche zu den nahen Wänden des Joches und damit eine höchstmögliche Kraftflußdichte
in dem Luftspalt ergibt. Erfindungsgemäß wird das Instrument so ausgebildet, daß
das Joch rechteckigen, im wesentlichen konstanten Querschnitt und im wesentlichen
trapezförmige Grundform besitzt und in der Mitte einen gekrümmten, die beiden Schrägseiten
des Trapezes verbindenden Kern aufweist, daß an den beiden parallelen Seiten des
trapezförmigen Joches je ein Magnet mit einer Polfläche anliegt, daß der erste an
der schmalen Seite des Joches anliegende Magnet mit seiner konvexen anderen Polfläche
und dem Kern einen gekrümmten Luftspalt bildet und der zweite Magnet mit einer Tolfläche
an der breiteren Seite des Joches anliegt und sich zu dem Kern hin verjüngt, daß
der Kern n-it einer konkaven Polfläche des zweiten Magneten einen zweiten gekrümmten
Luftspalt bildet, daß die beiden dem Kern zugewandten Polflächen gleichnamig sind
und daß die Spule den Kern umschließt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und im folgenden beschrieben: Fig. 1 ist eine Frontansicht eines Meßinstrumentes
nach der Erfindung; Fig. 2 ist ein Längsschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.
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In den Zeichnungen ist ein magnetisches System dargestellt, welches
ein Weicheisenjoch 10 aufweist, das das System umschließt. Wenn auch die genaue
Form
des Joches nicht Gegenstand der Erfindung ist, so werden doch im allgemeinen parallele,
obere und untere Querteile 11. und 11' vorgesehen, welche durch geneigte Verbindungsteile
12 miteinander verbunden sind. Mit den ebenen parallelen Innenflächen des Joches
sind permanente Magnete 13 und 14 in geeigneter Weise verbunden, die einfache Form
haben können und beispielsweise so magnetisiert sein können, wie das durch die Polbezeichnungen
N und S angedeutet ist. Die Magnete sind entgegengerichtet orientiert, so daß Polflächen
gleicher Polarität mit dem Joch verbunden sind. Ein bogenförmiger Kern
16 erstreckt sich zwischen den geneigten Verbindungsstücken 12 etwa in der
Mitte derselben. Er hat einen gewissen Abstand von den konvexen und konkaven Polflächen
der Magneten 13 und 14, so daß bogenförmige Luftspalte zwischen dem Kern und dem
Magneten entstehen, in welchen gegenüberliegende Seiten einer beweglichen Spule
18 wirksam werden.
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Die Spule 18 kann auf einem Spuienrahmen 19 aus Aluminium oder anderem
geeignetem, nichtmagnetischem Material gewickelt sein und den Kern 16 umschließen.
Die Spule und der Rahmen sitzen an einem Paar von Winkeln 21 von U-förmigem Querschnitt.
Am oberen Ende der Winkel sind Zapfen 22 vorgesehen, welche in üblichen Steinlagern
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schwenkbar gelagert sind. Die besagten Steinlager sitzen in vorderen und
hinteren Lageraugen 24, welche von den parallelen senkrechten Armen eines U-förmigen
Winkels 26 gebildet werden. Der Winkel 26 ist oben auf dem Joch
10 mittels Schrauben 27 befestigt. Von dem vorderen, die Spule tragenden
Winkel 21 ragt ein Zeiger 29 nach oben, der über einer Skala auf einer Skalenscheibe
31 spielt. Diese ist in nicht dargestellter Weise mit dem Instrument verbunden.
Der Einfachheit halber sind die üblichen Spiralfedern zur Fesselung der Spule an
die Nullage und zur Zuführung des Stromes zur Spule weggelassen worden, ebenso wie
das Instrumentengehäuse und andere Bauteile, die für das Verständnis der Erfindung
nicht wesentlich sind.
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Wenn Strom durch die drahtgewickelte bewegliche Spule 18 fließt, so
tragen beide Seiten der Spule in den Luftspalten zu einem Drehmoment auf die exzentrisch
gelagerte Spule bei. Im Gegensatz zu vielen bekannten DrehspuIinstrumenten, .bei
denen entweder auf der einen Seite der Spule überhaupt keine Kraft erzeugt wird
oder die Kräfte an den Spulenseiten in entgegengesetzten Richtungen wirken und eine
Drehung der Spule um ihreAchse bewirken, sind die Kräfte auf die Spule 18 nach der
Erfindung alle gleichgerichtet und bewirken eine Längsverschiebung der Spule. Jede
Seite der Spule liefert einen Beitrag zu dem Gesamtdrehmoment der besagten Drehspule.
Dieses Drehmoment ergibt sich als Summe der Produkte aus den Kräften auf die Spulenseiten
multipliziert mit ihrem Abstand von der Schwenkachse. Bei bekannten Drehspulinstrumenten
ist das Drehmoment auf die Spule proportional zu der von der Drehspule umschlossenen
Fläche unabhängig von der Form der Spule. Bei Instrumenten mit hohem Drehmoment,
bei denen im allgemeinen ein starker Magnet vorgesehen ist, führt diese bekannte
Konstruktion zu einem unnötig großen Verbrauch von Kupfer in der Drehspule. Bei
der erfindungsgemäßen Konstruktion umschließt die Drehspule 18 den Weicheisenkern
16, welcher den magnetischen Kräftfluß führt und dessen Querschnitt nur groß genug
zu sein braucht, um den Kraftfluß der beiden gegenüberliegenden inneren Magneten
13,14 aufzunehmen. Dementsprechend ist der Kupferverbrauch in der Spule gering,
da die nicht wirksamen Windungsenden möglichst klein gehalten werden können.
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Bei diesem minimalen Querschnitt der Spule ist der Widerstand der
beweglichen Spule erheblich wirksamer verteilt als in üblichen Instrumentenmeßwerken.
Aus diesem Grunde ist das Verhältnis des wirksamen Drehmoments zu dem Widerstand
der beweglichen Spule bei einer Konstruktion nach der Erfindung ein Maximum. Außerdem
ist das Gewicht und infolgedessen auch die Trägheit des bewegten Systems klein,
da der Teil der beweglichen Spule, welcher nichts zu der Erzeugung des Drehmomentes
beiträgt, kleinstmöglich gehalten ist.
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Wenn die Spule 18, wie dargestellt ist, auf einen Rahmen 19 zum Zwecke
der Dämpfung gewickelt ist, so ergeben sich, wie der Fachmann leicht sieht, optimale
Bedingungen für eine maximale Leitfähigkeit des Rahmens, da die Enden des Rahmens
ebenfalls kleinstmöglich gehalten sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer exzentrisch gelagerten
beweglichen Spule, bei welcher die Schwenkachse der Spule von dieser entfernt liegt,
kann das Gewicht der Spule benutzt werden, ein Gegengewicht für den langen Zeiger
29 zu bilden, der üblicherweise bei Luftfahrtinstrumenten vorgesehen ist. Zusätzlich
kann noch, falls erforderlich, ein gesondertes Gegengewicht vorgesehen sein. Aus
diesem Grunde ist das gesamte Gewicht des bewegten Spulensystems., welches an den
Zapfen und Steinlagern wirksam wird, ein Minimum und deshalb die Reibung gering.
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Man sieht, daß das Joch 10 die Magnete 13 und
14
umschließt, so daß sich ein selbstabschirmendes Meßwerk ergibt, wodurch
das durch das Instrument erzeugte Streufeld gering ist und umgekehrt auf die Einwirkung
von äußeren magnetischen Feldern auf das Instrument klein gehalten wird. Diese selbstabschirmende
Eigenschaft ist von besonderer Bedeutung bei der Anwendung in Flugzeugen, bei denen
Instrumente von geringstmöglichem Gewicht und kleinsten Abmessungen verlangt werden.
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Bei der dargestellten Konstruktion sind die Seitenflächen der Magneten
13 und 14 derart von den Verbindungsstücken 12 des Joches 10 entfernt, daß sich
Raum für Magnetisierungswindungen ergibt, welche in Fig. 1 gestrichelt dargestellt
und n:Lit 36 gezeichnet sind.
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Die Magneten 13 und 14 können dann mit der gewünschten Stärke nach
Zusammensetzung des magnetischen Systems magnetisiert werden, indem ein Magnetisierungsstrom
in richtiger Richtung durch die Windungen 36 geleitet wird.