DE8020574U1 - Waage mit flachem magnet - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems befindet und die Kompensationskraft erzeugt.

Waagen dieser Art sind bekannt und in ihrer üblichen Aus- *führungsform beispielsweise in der DE-PS 25 18 022 beschrieben. Dabei ist das Permanentmagnetsystem zylinderförmig ausgebildet und erzeugt ein waagerecht verlaufendes, radial-symmetrisches Magnetfeld, in das eine Spule mit senkrechter Achse eintaucht, so daß sich eine senkrechte Kompensationskraft ergibt, die direkt die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes kompensiert. Auch bei Waagen mit He'belübersetzung (z.B. DE-OS 28 53 074) ist üblicherweise das Permanentmagnetsystem zylinderförmig und erzeugt eine senkrechte Kompensationskraft.

Die Zylinderform ergibt für das Permanentmagnetsystem aber eine relativ große Bauhöhe, die durch die Höhe des aktiven Materials und die Dicke der Polplatten auf beiden Seiten gegeben ist. Diese Bauhöhe bestimmt die Mindesthöhe der Waage, besonders bei direktkompensierenden Waagen, bei denen zusätzlich die Lenker der Parallelführung oberhalb und unterhalb des Permanentmagnetsystems untergebracht werden müssen. Daneben ist die Zylinderform fertigungstechnisch ungünstig für Materialien - wie die magnetisch aktiven Materialien -, die sich nicht spanabhebend bearbeiten lassen.

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Weiter ist es aus der US-Patentschrift 3 322 222 bekannt, eine näherungsweise rechteckige Spule mit waagerechter Achse zu benutzen. Dabei befindet sich die obere und untere Seite der Spule im waagerecht verlaufenden magnetischen Feld zweier C-förmiger Permanentmagnete, so daß direkt eine senkrechte Kompensationskraft erzeugt wird. Auch in diesem Fall ergibt sich eine verhältnismäßig große Bauhöhe. Außerdem ist die Herstellung C-förmiger Permanentmagneten aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eins Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkpmpensation so weiterzubilden, daß das Permanentmagnetsystem besonders flach ausgebildet und preiswert hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spule näherungsweise eine rechteckige Form hat, daß das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten aktiven Materials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule und aus einem Weicheisenrückschluß besteht, wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und daß zwischen Spule und Waagschale Mittel zur Kraftumlenkung vorgesehen sind.

Durch den Aufbau des Permanentmagnetsystems aus rechteckigen Platten aktiven Materials können diese Teile durch einfaches Sägen preiswert hergestellt werden! Die näherungsweise ebenfalls rechteckige Form der Spule ergibt eine optimale Ausnutzung des magnetischen Feldes zur Kompeηsatίοηskrafterzeugung.

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Durch die Aufteilung des aktiven Materials auf zwei, den beiden längeren Seiten der rechteckigen Spulen zugeordneten Platten wird die durch das aktive Magnstmaterial verursachte Bauhöhe gegenüber einem herkömmliehen Zylindermagneten auf die Hälfte reduziert. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich die beiden Platten jeweils oberhalb oder unterhalb der Spule befinden, oder ob die beiden Platten nochmals aufgeteilt sind, so daß insgesamt vier Platten oberhalb und unterhalb der längeren Seiten der rechteckigen Spule vorhanden sind.

Wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Weicheisenrückschluß des Permanentmagnetsystems ebenfalls aus rechteckigen Platten in Form eines vorne und hinten offenen Kastens hergestellt, so lassen sich auch diese Platten einfach und preiswert durch Sägen herstellen.

Zweckmäßigerweise wird die Spule möglichst flach ausgebildet, d.h. mit möglichst geringer Wickelbreite bei größer Wickelhöhe. So kann bei gleicher Windungszahl und gleichem Drahtquerschnitt der Luftspalt für die Spule am kleinsten gehalten werden, so daß auch die gesamte Bauhöhe des Permanentmagnetsystems am geringsten 25 bleibt.

Um die senkrechte Gewichtskraft des Wägegutes durch die waagerechte elektromagnetisch erzeugte Kompensat'ionskraft zu kompensieren ist sine Kraftumlenkung notwendig. Diese Kraftumlenkung wird vorteilhafterweise so ausgebildet, daß sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirkt, so daß bereits eine kleine elektromagnetisch er-

zeugte Kompensationskraft einer großen Gewichtskraft das Gleichgewicht halten kann. Dadurch kann der elektrische Strom in der Spule und das magnetische Feld
des Permanentmagnetsystems entsprechend klein gehalten werden. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Kraftumlenkung durch einen Winkelhebel erreicht.

Soll eine leichte Justierbarkeit der Stärke des magnetischen Feldes möglich sein, so ist es vorteil-

haft, die eine Platte des Weicheisenrückschlusses

durch Justierschrauben zu halten und so durch geringe Änderung des Luftspaltes die Feldstärke auf den gewünschten Wert bringen zu können. Dabei ist es ebenfalls möglich, durch zweckmäßige Wahl der freien Länge der Schrauben und deren Material die Temperaturä'b-

hängigkeit der Remanenz des aktiven Materials wenigstens näherungsweise durch die durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schraubenmaterials gegebene temperaturabhängige Änderung der Luftspaltbreite zu

kompensieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. DaL ⁿi zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Waage im Schnitt, 25

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Permanentmagnetsystems, wobei als Spule nur eine Windung symbolisch dargestellt ist.

Fig. 3 einen Schnitt durch eine spezielle Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems und

Fig. 4 Spule und Permanentmagnet für eine runde Spule (Teil a) und eine näherungsweise
rechteckige Spule (Teil b) im Vergleich.

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Die in Fig. 1 gezeigte Waage besteht aus einem Stützteil 1, das fest mit dem - nicht gezeichneten - Gehäuse verbunden ist. An diesem Stützteil 1 sind zwbi Lenker 4 und 5 befestigt, die in Form einer Parallelführung das Verbindungsteil 3 mit der Waagschale 2 senkrecht beweglich führen. Die Lenker 4 und 5 sind entweder auf ihrer ganzen Länge elastisch oder besitzen elastische Einschnürungen an den mit 6 gekennzeichneten Stellen und sind auf ihrer restlichen 1D Länge steif. Die vom Wägegut auf die Waagschale 2 und das Verbindungsteil 3 übertragene Gewichtskraft wird über ein Koppelband 7 auf den kurzen Hebelarm eines Winkelhebels B übertragen. Der Winkelhebel 8 ist durch ein Kreuzbandgelenk 9 am Stützteil 1 gelagert. Am langen Hebelarm des Winkelhebels 8 ist an einem isolierten Ansatz 10 die Spule 11 befestigt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Spule 11 rechteckförmig mit abgerundeten Ecken gewickelt. Sie befindet sich zwischen den Polen eines Permanentmagnetsystems, bestehend aus vier rechteckigen Platten 12 bis 15 des magnetisch aktiven Materials und zwei Platten 16 und 17 aus Weicheisen als Rückschluß. Die beiden Platten 16 und 17 aus Weicheisen werden durch zwei seitliche Stege 18 und 19 gehalten. Das ganze Permanentmagnetsystem 12 bis 19 ist ebenfalls am Stützteil 1 befestigt. Das magnetisch aktive Material ist in senkrechter Richtung magnetisiert, die Polung ist beispielsweise so, daß die beiden Platten 12'und jeweils den magnetischen Nordpol auf ihrer Unterseite haben, während die beiden Platten 14 und 15 den magnetischen Nordpol auf ihrer Oberseite haben. Die magnetischen Feldlinien verlaufen in diesem Beispiel also vun der aktiven Platte 12 durch den in Fig. 1 linken

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Teil der Spule 11, durch die aktive Platte 13, weiter
durch die Weicheisenplatte 17, durch die aktive Platte 15,
dann durch den in Fig. 1 rechten Teil der Spule 11, dann
durch die aktive Platte 14 und durch die Weicheisenplatte 16 zurück zur aktiven Platte 12. Die beiden längeren
Seiten der rechteckigen Spule 11 werden also von einem
senkrechten magnetischen Feld durchsetzt, so daß ein Strom
in der Spule 11 eine waagerechte Kraft erzeugt. Diese
waagerechte Kraft greift über den Ansatz 10 am längeren

Hebelarm des Winkelhebels 8 an und hält dort der am

kürzeren Hebelarm angreifenden Gewichtskraft des Wägegutes das Gleichgewicht. Die Einzelheiten der zugehörigen
Elektronik, Lagensensor und Regelverstärker, sind von
den bekannten Waagen her geläufig, so daß auf eine Be-

Schreibung hier verzichtet wird.

Die Spule 11 ist so gewickelt, daß nur wenige Windungen
nebeneinander liegen, aber viele Lagen übereinander. Dadurch kann der Abstand zwischen den aktiven Platten 12 Ii

und 13 bzw. 14 und 15 des Permanentmagnetsystems gering 1

gehalten werden, was einmal einer geringen Bauhöhe des Sy- I|

stems zugute kommt, was zum andern der magnetischen For- |

derung nach einem schmalen Luftspalt mit groß.em Quer- ^

schnitt entspricht. s,

1

Die etwa rechteckförmige Spule ist zwar in ihrer Her- $

stellung aufwendiger als eine runde Spule, sie ergibt %

jedoch bei gleicher Krafterzeugung eine Einsparung an £

Magnet- und Spulenmaterial und an elektrischer Leistung ^

(Verlustwärme!]: \

eine runde Spule (111 in Fig. 4a] mit dem mittleren Radius -■ R, einer Wickelhöhe H und einer Windungszahl η in einem H_:

Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I eine Kraft F der §

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4 ^

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Größe:

tr

JB . I. sin if .dl = B . I . 2 · η . R . [ sirup

F ■

Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei:

L= 2 . tr . R . π

& und die erforderliche Fläche S der Magnete 112 ist:

I ¹⁰ S - 2 . Tt . R . H

ε;' Eine rechteckige Spule (211 in Fig. 4b) mit den mittleren

s< Seitenlängen a und b, einer Wickelhöhe H und einer Windungs

:' zahl η in einem Magnetfeld B erzeugt bei einem Strom I

f.,- «ι 5

p eine Kraft F der Größe:

I F=B. I . 2 . a . η

Die Gesamtlänge L des Drahtes ist dabei:

L = 2 . Ca + b) . η
und die erforderliche Fläche S der Magneten 212 ist:

S = 2 . a' . H

25

Wählt man nun die längere Seite a der rechteckigen Spule gleich dem Durchmesser der runden Spule, also a = 2 . R, und weiter b = a/3, so ergibt ein Vergleich der Formeln, 30 daß in beiden Fällen die erzeugte Kraft F gleich ist, daß aber die erforderliche Magnetfläche bei der rechteckigen Spule nur den Bruchteil 2/ττ = 0,64 der er-

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-■ 10 '-

forderlichen Magnetfläche bei der runden Spule ausmacht und daß die Gesamtlänge des Spulendrahtes bei der rechteckigen Spule nur den Bruchteil 8/3 ττ = 0,85 der Gesamtlänge des Spulendrahtes bei der runden Spule erreicht. Der Materialaufwand für den aktiven Teil des Magneten und für die Kompensationsspule ist also bei einer rechteckigen Form der Spule geringer als bei einer runden Form. Die geringere Drahtlänge bei der rechteckigen Spule führt darüber hinaus zu einem geringeren elektrischen Widerstand der Spule und so zu einer geringeren elektrischen Verlustleistung.

Die Länge a der rechteckigen Spule kann einmal etwas größer als die entsprechende Länge der Platte aus aktivem Material sein. Dann ist die für die Krafterzeugung wirksame Länge der Spule durch die Platte aus aktivem Material gegeben, so daß Längenänderungen der Spule - beispielsweise auf Grund lastabhängiger elektrischer Erwärmung - und Einbautoleranzen in erster Näherung keinen Einfluß haben. Die Länge a der rechteckigen Spule kann zum anderen auch etwas geringer sein als die entsprechende Länge der Platte aus aktivem Material. Dann bestimmt die Spule die für die Krafterzeugung wirksame Länge und eine temperaturbedingte Änderung der Spulenlänge führt bei gleichem Spulenstrom zu einer entsprechenden Kraftänderung. Dies kann z.B. bei Waagen mit höherer Auflösung zur Temperaturkompensation des Permanentmagnetsystems mit herangezogen werden. Die Remanenz des aktiven Materials und damit die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Permanentmagnetsystems nimmt mit wachsender Temperatur ab, die für die Krafterzeugung wirksame Spulenlänge nimmt mit wachsender Temperatur zu. Voraussetzung ist dabei natürlich, daß

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die in der Spule umgesetzte Verlustwärme lastunabhängig gemacht wird, was beispielsweise durch die in der DE-DS 30 02 462 angegebenen Mittel erreicht werden kann.

Eine vollständige Temperaturkompensation läßt sich mit der Ausgestaltung des Permanentmagnetsystems gemäß Fig. 3 erreichen:
die beiden seitlichen Stege 16,19 stützen den oberen weichmagnetischen Rückschluß 16 nicht direkt, sondern sind weiter hochgezogen und tragen den weichmagnetischen Rückschluß 16 über Justierschrauben 20. Hit Hilfe dieser Justierschrauben 20 wird einmal eine leichte Einstellbarkeit des Luftspaltes für die Spu-Ie 11 erreicht, zum anderen kann das Material und die freie Länge der Justierschrauben 20 so gewählt werden, daß die mit der Temperatur wachsende Schraubenlänge den Luftspalt so verringert, daß die mit der Temperatur abnehmende Remanenz des aktiven Magnetmaterials gerade kompensiert wird.

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Claims (7)

Sartorius GmbH Akte SW 800B Weender Landstr. 94-1GB Ko/kl 340G Göttingen Waage mit flachem Magnet nansprüehe

1. Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einer oberschalig gelagerten Waagschale zur Aufnahme des Wägegutes und einer beweglichen, stromdurchflossenen Spule, die sich im Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagnetsystems be-

findet und die Kompensationskraft erzeugt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spule (11) näherungsweise
eine rechteckige Form hat, daß das Permanentmagnetsystem aus rechteckigen Platten (12 bis 15) aktiven Materials mit senkrechter Magnetisierungsrichtung

oberhalb oder/und unterhalb der längeren Seiten der Spule uüd aus einem Weicheisenrückschluß (16,17) besteht, wodurch sich eine waagerechte Kompensationskraft ergibt, und daß zwischen Spule und Waagschale mechanische Stellmittel (Hebel 10,8, Koppelglieder 9,7) zur Kraftumlenkung vorgesehen sind.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dar Weicheisenrückschluß (16 bis 19) kastenförmig mit offener Vorder- und Rückseite ausgebildet ist.

3. Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) als Flachspule ausgebildet ist, wobei die Wickelbreite mindestens um den Faktor 2 geringer ist als die Wickelhöhe.

4. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kraftumlenkung (7 bis 10) so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig eine Kraftübersetzung bewirken.

5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kraftumlenkung einen Winkelhebel (8) umfassen.

B. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (16) des Weicheisenrückschlusses durch Justierschrauben (20) gehalten wird .

7. Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden seitlichen Stege (18, 19) des weichmagnetischen Rückschlusses (16) hochgezogen sind und Lagerstellen für die Justierschrauben (20) bilden, und daß die Justierschrauben (20) aufgrund ihrer Länge und ihres Materials ein bei Erwärmung wirkendes und die Luftspaltbreite zwischen den Magnetplatten (12,14 und 13,15) verringerndes Kompensationsglied bilden.