DE1120580B

DE1120580B - Electric meter with swivel coil

Info

Publication number: DE1120580B
Application number: DED32191A
Authority: DE
Inventors: Robert S Langford
Original assignee: Daystrom Inc
Current assignee: Daystrom Inc
Priority date: 1958-12-30
Filing date: 1959-12-23
Publication date: 1961-12-28

Description

Elektrisches Meßinstrument mit Schwenkspule Die Erfindung betrifft ein elektrisches Meßinstrument mit einer in einem permanentmagnetischen Feld beweglichen stromdurchflossenen Spule.Swivel Coil Electric Meter The invention relates to an electrical measuring instrument with a movable in a permanent magnetic field current-carrying coil.

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.The torque generated depends on the commonly used moving coil instruments from the cross section of the coil. In order to generate a higher torque, the Coil must be dimensioned correspondingly larger. This gives the effective torque there are limits to these moving coil instruments.

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.It is an electrical measuring instrument with a magnetic system known (USA.-Patent 2 840 782), which has a permanent magnet, which rests with one pole face on a soft iron yoke surrounding the magnet, which forms a curved air gap with the other convex pole face of the magnet forms, and with a current-carrying coil which is outside the yoke in the Center of curvature of the air gap pivotably mounted and with one side is movable in the air gap. In this system, the moving coil surrounds the entire magnet and the outer part of the yoke. Even with this construction the torque generated is directly proportional to the cross section of the moving Kitchen sink. A large part of the coil lies outside the air gap, so that there is also results in an unfavorable torque in relation to the coil dimensions.

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.A relay is also known (US Pat. No. 1163 070) in which the magnetic system has two electromagnets which are surrounded by a yoke and which are opposite one another with two pole faces of the same name, between which a ferromagnetic core is arranged to receive the flux of force. A coil on the core can move across the direction of the field lines. The coil and the electromagnets are fed by alternating current, and switching off the field, i.e. the electromagnets, triggers a switching process.

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.The invention is based on the object of creating a measuring instrument which a more favorable torque in relation to the dimensions of the movable Coil supplies known instruments as the aforementioned. This is accomplished once by a basic structure of the instrument and its magnet system, which is approximately corresponds to that of the relay mentioned, on the other hand by a special constructive one Design of the magnet system, which the application of a maximum of magnetic Material with a minimum of magnetic scattering from the edges of the concave Pole face to the near walls of the yoke and thus the highest possible force flux density results in the air gap. According to the invention, the instrument is designed so that the yoke rectangular, substantially constant cross-section and substantially trapezoidal basic shape and a curved one in the middle, the two sloping sides of the trapezoid connecting core has that on the two parallel sides of the trapezoidal yoke each has a magnet with a pole face that the first on the narrow side of the yoke adjacent magnet with its other convex pole face and the core forms a curved air gap and the second magnet with a Tol surface on the wider side of the yoke and tapers towards the core that the core n -it a concave pole face of the second magnet a second curved one Air gap forms that the two pole faces facing the core have the same name and that the coil encloses the core.

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.An embodiment of the invention is shown in the drawings and hereinafter described: Fig. 1 is a front view of a measuring instrument according to the invention; FIG. 2 is a longitudinal section taken along line 2-2 of FIG. 1.

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.In the drawings, a magnetic system is shown which has a soft iron yoke 10 which encloses the system. Even if the exact shape of the yoke is not the subject of the invention, there are generally parallel, upper and lower cross members 11 and 11 ′ which are connected to one another by inclined connecting parts 12. Permanent magnets 13 and 14, which can have a simple shape and, for example, can be magnetized as indicated by the pole designations N and S, are connected in a suitable manner to the flat, parallel inner surfaces of the yoke. The magnets are oriented in opposite directions so that pole faces of the same polarity are connected to the yoke. An arcuate core 16 extends between the inclined connectors 12 approximately in the middle thereof. It has a certain distance from the convex and concave pole faces of the magnets 13 and 14, so that arcuate air gaps are created between the core and the magnet in which opposite sides of a movable coil 18 are effective.

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 23 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.The coil 18 can be wound on a coil frame 19 made of aluminum or other suitable non-magnetic material and enclose the core 16. The coil and the frame sit at a pair of angles 21 of U-shaped cross-section. At the upper end of the angle pins 22 are provided, which are pivotably mounted in conventional stone bearings 23. Said stone bearings sit in front and rear bearing eyes 24, which are formed by the parallel vertical arms of a U-shaped angle 26. The angle 26 is fastened on top of the yoke 10 by means of screws 27. A pointer 29 protrudes upward from the front bracket 21 carrying the bobbin and plays over a scale on a dial 31 . This is connected to the instrument in a manner not shown. For the sake of simplicity, the usual spiral springs for tying the coil to the zero position and for supplying the current to the coil have been omitted, as have the instrument housing and other components that are not essential for understanding the invention.

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.When current flows through the wire-wound movable coil 18, so both sides of the coil in the air gaps wear a torque on the eccentric stored coil. In contrast to many well-known rotating coil instruments, either of which no force at all is generated on one side of the coil or the forces on the coil sides act in opposite directions and one Cause rotation of the spool about its axis, the forces on the spool 18 according to the Invention all rectified and cause a longitudinal displacement of the coil. Every The side of the spool contributes to the total torque of the said rotating spool. This torque results from the sum of the products from the forces on the coil sides multiplied by their distance from the pivot axis. In known moving coil instruments the torque on the coil is proportional to that enclosed by the moving coil Area regardless of the shape of the coil. For instruments with high torque, in which a strong magnet is generally provided, this known performs Construction leads to an unnecessarily large consumption of copper in the moving coil. at In the construction according to the invention, the moving coil 18 encloses the soft iron core 16, which guides the magnetic flux and whose cross-section is only large enough needs to be to the flux of force of the two opposing inner magnets 13.14. Accordingly, the copper consumption in the coil is low, since the ineffective winding ends can be kept as small as possible.

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.At this minimum cross-section of the coil, the resistance is the movable coil distributed much more effectively than in conventional instrument measuring mechanisms. For this reason is the ratio of the effective torque to the resistance of the movable coil in a construction according to the invention a maximum. aside from that the weight and consequently also the inertia of the moving system is small, because the part of the moving coil which has nothing to do with generating the torque contributes, is kept as small as possible.

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.When the coil 18, as shown, on a frame 19 for the purpose the damping is wound, as the skilled person can easily see, optimal results Conditions for maximum conductivity of the frame, as the ends of the frame are also kept as small as possible.

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.In the arrangement according to the invention with an eccentrically mounted movable bobbin in which the swivel axis of the bobbin is remote from it, the weight of the coil can be used as a counterweight for the long pointer 29, which is usually provided in aviation instruments. Additionally If necessary, a separate counterweight can also be provided. the end For this reason, the total weight of the moving coil system. Which is attached to the Pivots and stone bearings are effective, a minimum and therefore the friction is low.

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.It can be seen that the yoke 10 encloses the magnets 13 and 14 , so that a self-shielding measuring mechanism results, whereby the stray field generated by the instrument is small and, conversely, the effect of external magnetic fields on the instrument is kept small. This self-shielding property is of particular importance when used in aircraft, in which instruments of the lowest possible weight and smallest dimensions are required.

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.In the construction shown, the side faces are the magnets 13 and 14 so removed from the connecting pieces 12 of the yoke 10 that Space for magnetization turns results, which is shown in Fig. 1 in dashed lines and n: Ref 36 are drawn.

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.The magnets 13 and 14 can then with the desired strength Composition of the magnetic system are magnetized by applying a magnetizing current is passed through the turns 36 in the correct direction.

Claims

CLAIMS: 1. Electric meter with a magnetic one System, which has a permanent magnet with a pole face on a soft iron yoke surrounding the magnet rests, which is convex with the other Pole face of the magnet forms a curved air gap, and with a current flowing through it Coil, which outside of the yoke in the center of curvature of The air gap is pivotably mounted and one side is movable in the air gap is, characterized in that the yoke is rectangular, substantially constant Has cross-section and essentially trapezoidal shape and in the middle has a curved core connecting the two sloping sides of the trapezoid, that on the two parallel sides of the trapezoidal yoke each with a magnet abuts a pole face that the first abuts on the narrow side of the yoke Magnet with its other convex pole face and the core have a curved air gap forms and the second magnet with a pole face on the wider side of the yoke rests and tapers towards the core, that the core with a concave pole face of the second magnet forms a second curved air gap that the two dem Pole faces facing the core are of the same name and that the coil encloses the core.

2. Electrical measuring instrument according to claim 1, characterized in that the bearings for the movable coil are attached to the outside of the narrow side of the yoke and their distance is smaller than the height of the yoke. Contemplated publications:. USA. Patent No. 1163 070, 2840782.