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Dauermagnetsysteme mit verringerter Temperaturabhängigkeit der Induktion
Die Erfindung betrifft Dauermagnetsysteme, die mit Dauermagneten aus einem Werkstoff
mit stark negativem Temperaturkoeffizienten der Induktion ausgerüstet sind, bei
denen aber höchstens eine geringe Temperaturabhängigkeit der Induktion zulässig
ist. Dauermagnetwerkstoffe mit stark negativem Temperaturkoeffizienten der Induktion
sind beispielsweise Bariumferrit, Bleiferrit und Strontiumferrit.
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Bariumferrit der chemischen Zusammensetzung Ba0 - 6 Fe20g hat sich
als Dauermagnetwerkstoff auf vielen Gebieten der Dauermagnettechnik durchgesetzt,
wobei wirtschaftliche Gesichtspunkte von entscheidender Bedeutung waren. Insbesondere
wegen der starken Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes
sind gewisse Anwendungsgebiete dem Bariumferrit bisher verschlossen geblieben. Ein
Beispiel solcher Anwendungsgebiete sind Meßinstrumente, insbesondere auf Drehspulbasis,
ferner die Elektrizitätszähler und Tachometer.
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Bei diesen werden unter Verwendung der sehr viel weniger temperaturabhängigen
Alnico-Magnete die Temperaturfehler durch Nebenschlüsse mit Werkstoff bestimmter
bekannter Temperaturabhängigkeit der Permeabilität verringert. Zu erwähnen sind
auch einige Anwendungen von Haftmagnetsystemen. Da die Haftkraft bei nicht zu großen
Luftspalten proportional dem Quadrat der Induktion ist und der Temperaturkoeffizient
der Haftkraft dabei etwas mehr als doppelt so groß ist wie der der Induktion, sind
solche Haftmagnetsysteme einer starken Temperaturabhängigkeit unterworfen. Diese
Temperaturabhängigkeit ist für die meisten Haftmagnetsysteme ohne Bedeutung. Es
gibt aber auch Fälle, in denen Haftmagnetsysteme in einem sehr großen Temperaturbereich
arbeiten müssen. In solchen Fällen hat man bisher Alnico-Magnete eingesetzt.
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Die Induktion der Bariumferrit-Dauermagnete nimmt mit zunehmender
Temperatur ab und umgekehrt. Diese Temperaturabhängigkeit ist angenähert linear
und beträgt 2%a/° C Temperaturänderung. Zum Vergleich sei erwähnt, daß bei den gleichfalls
in großem Umfange verwendeten Alnico-Dauermagnetwerkstoffen der Temperaturkoeffizient
nur ein Zehntel bis ein Zwanzigstel des angegebenen Wertes hat.
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Der stark negative Temperaturkoeffizient der Induktion von Bariumferrit
ist bekannt. Ferner ist der Vorschlag bekannt, bei Magnetsystemen mit Dauermagneten
aus Bariumferrit eine Temperaturausgleichsvorrichtung mit magnetischem Nebenschluß
vorzusehen, bei der ein Körper aus einer Wärmelegierung, der bei Temperaturzunahme
seinen magnetischen Widerstand erhöht, im Bereich einer Verengungsstelle des magnetisch
weichen, den Nutzfluß leitenden Körpers angeordnet ist. Durch diese Anordnung soll
die Wirksamkeit der Wärmelegierung erhöht werden, da die Kraftliniendichte im Bereich
der Verengung des Nutzfiußleiters größer ist als an den nicht verengten Stellen.
Es ist jedoch bei diesem Vorschlag nicht vorgesehen, den Flußleiter so stark zu
belasten, daß die Maximalpermeabilität überschritten und der Streufiuß vergrößert
wird.
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Nach einem anderen bekannten Vorschlag sollen die Polplatten und Polschuhe
eines Magnetsystems aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die so gewählt werden,
daß die Permeabilitäten unter dem Einfluß der jeweils herrschenden Induktionen einem
Maximum zustreben. Auch durch geeignete Bemessung der Querschnitte der Polplatten
und Polschuhe soll dieses Ziel erreicht werden. Aber auch bei diesem Vorschlag soll
die Maximalpermeabilität nicht überschritten werden, da gerade die Vermeidung von
Verlusten durch Streufiuß angestrebt wird.
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Die Erfindung bezweckt, dem Bariumferrit und anderen Dauermagnetwerkstoffen
mit stark negativem Temperaturkoeffizienten der Induktion solche neuen Verwendungszwecke
zu erschließen, bei denen höchstens eine geringe Temperaturabhängigkeit der Induktion
zulässig ist. Dieser Zweck wird durch mit Dauermagneten aus derartigen Dauermagnetwerkstoffen
ausgerüstete Dauermagnetsysteme erreicht, bei denen erfindungsgemäß die Querschnitte
der Eisenleitteile so gering bemessen sind, daß unter dem Einfluß der in ihnen herrschenden
magnetischen Feldstärke die Maximalpermeabilität überschritten ist.
Diese
Bemessung der Eisenleitteile, z. B. der Polschuhe, ist von der üblichen verschieden,
da in der Regel der im Dauermagnet vorhandene Fluß möglichst verlustlos weitergeleitet
werden soll und Verluste durch Streuung nach Möglichkeit zu vermeiden sind. Bei
einer bestimmten Flußstärke ist der Verlust durch Streuung um so größer, je niedriger
die Permeabilität der Eisenleitteile ist. Die Permeabilität im Eisen nimmt oberhalb
der Maximalpermeabilität je nach Eisensorte mit zunehmender Induktion ab; die Streuung
nimmt hierbei stark zu. Bei der magnetischen Sättigung nimmt die Permeabilität des
Eisens den Wert 1 an. Eisen wirkt dann wie Luft und verliert seine gute Leitfähigkeit
für den magnetischen Fluß. Aus diesem Grund wird beim Bau von Magnetsystemen zur
Verringerung des magnetischen Streuflusses die Induktion in den Eisenleitstücken
unter 12 000 G bemessen. In Sonderfällen, insbesondere bei Haftmagnetsystemen, ist
man zwar mit der Induktion auch höher gegangen. Hierbei war jedoch die Volumenersparnis
und nicht die Temperaturabhängigkeit der Induktion von praktischer Bedeutung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch eine Erhöhung des
magnetischen Streuflusses, die durch eine Verminderung der Querschnitte der Eisenleitteile
erzielt wird, die starke Temperaturabhängigkeit der Induktion bei Dauermagnetsystemen,
die mit Dauermagneten mit stark negativem Temperaturkoeffizienten der Induktion
bestückt sind, weitgehend zu beseitigen.
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Dabei soll zweckmäßig die Induktion in den Eisenleitstücken bei Raumtemperatur
größer als 14 000 G oder sogar größer als 17 000 G sein. Bei der starken Temperaturabhängigkeit
der Induktion des Bariumferrits und anderer Dauermagnetwerkstoffe wird mit zunehmender
Temperatur die Induktion in den Eisenleitstücken und damit auch der Streufluß verringert.
Bei niedriger Temperatur geht wegen der hohen Induktionswerte in den Eisenleitstücken
ein großer Teil des vom Dauermagneten an die Eisenleitstücke abgegebenen Flusses
als Streufluß verloren. Mit zunehmender Temperatur wird dieser Verlust erniedrigt,
da mit abnehmendem Fluß in den Dauermagneten auch der Fluß und damit die Induktion
in den Eisenleitstücken abnehmen und die Permeabilität zunimmt.
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Die Erfindung soll an Hand von drei Magnetsystemen nach der Zeichnung,
in denen die Querschnitte der Eisenleitteile verschieden groß sind, erläutert werden.
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Die Magnetsysteme bestehen aus einem quaderförmigen Dauermagnet A
(aus Bariumferrit in den Abmessungen 33 - 23. 10 mm) und sind in Richtung der kleinsten
Abmessung magnetisiert, wie die Polbezeichnungen N, S erkennen lassen. An den geschliffenen
Polflächen im Maß 33 - 23 mm sind zwei Eisenleitstücke
B in den Abmessungen
40 - 23
- X mm lose, aber praktisch luftspaltlos in der Weise angebracht,
daß der Dauermagnetfluß durch den Eisenquerschnitt X - 23 mm= verläuft, wie die
Bezeichnungen
N und S an den Enden der Eisenleitstücke
B
andeuten.
Die Eisenleitstücke B sind jeweils durch einen Eisenanker C, der mit einer Spule
Sp umwickelt ist, kurzgeschlossen. Die Enden der Spule Sp sind an einen Flußmesser
M angeschlossen. Durch Herausziehen der Dauermagnete A aus den Systemen wurde bei
Temperaturen zwischen 20 und 80° C der magnetische Fluß 0 in Maxwell mit dem Flußmesser
M gemessen. Durch Division der gemessenen Flüsse -P durch die magnetischen Querschnitte
der Eisenleitstücke
B wurde die Induktion
B in Gauß in diesen Eisenleitstücken
errechnet. Ferner wurde auch das Produkt B - (P als Maß für die Haftkraft des Systems
auf dem Anker C rechnerisch ermittelt. Die Messungen wurden an drei Systemen durchgeführt,
bei denen die Stärke X der Eisenleitstücke 4, 2 und 1 mm betrug. Die Ergebnisse
sind in der folgenden Zahlentafel wiedergegeben, die auch den mittleren Temperaturkoeffizienten
(TK) in 0/",/'C zwischen 20 und 80° C angibt.
| X #ö C TK von I B B . #, TB von |
| (mm) (M) (°100.i° C) (G) (G-M) (o/oa/° C) |
| 4 14270 1,05 15 280 2,18-108 2,06 |
| 2 9020 0,67 19 200 1,72 - 108 1,34 |
| 1 4950 0,41 21500 1,07- 108 0,84 |
Die Zahlentafel zeigt, daß mit abnehmender Dicke X der Eisenleitstücke von 4 bis
auf 1 mm der magnetische Fluß auf etwa ein Drittel abnimmt, die Induktion von über
15 000 G auf 21500 G zunimmt, der Temperaturkoeffizient des Magnetsystems aber von
1,050/0o/'C auf 0,410/0o/'C abnimmt. Vergleicht man diese Werte des Temperaturkoeffizienten
mit dem der Induktion von Bariumferrit ohne Eisenleitteile oder mit sehr starken
Eisenleitteilen (20/0o/'C) oder mit dem der Induktion von Alnico (0,1 bis 0,2"/"/'C),
so zeigt sich, daß der TK von Bariumferrit bei Eisenleitstücken mit X = 1 mm bereits
auf ein Fünftel seines ursprünglichen Wertes reduziert und der des Alnico annähernd
erreicht worden ist. Man erkauft diese Erniedrigung des TK nach Ausweis der Zahlentafel
zwar mit einer erheblichen Verringerung des magnetischen Flusses. Doch sind genügend
praktische Anwendungen vorhanden, bei denen das Volumen des verhältnismäßig billig
herstellbaren Bariumferrits von untergeordneter Bedeutung gegenüber der Erniedrigung
des TK ist. Da die Haftkraft dem Produkt von
B - 0 proportional ist, ist
ihre Abnahme nach Ausweis der Zahlentafel mit abnehmendem X nicht so stark wie die
von 0. Die TK-Werte der Haftkräfte (-B - 0) sind etwa doppelt so groß wie die von
0 und B. Für Bariumferrit-Dauermagnete ohne Eisenleitstücke ist als Vergleich 40/0"/'C
und für Alnico 0,2 bis 0,40/"/'C den entsprechenden Werten der Zahlentafel gegenüberzustellen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und erläuterten Dauermagnetsysteme
beschränkt. Sie bezieht sich vielmehr auch auf Systeme, deren Dauermagnete aus anderen
Werkstoffen als Bariumferrit, z. B. Bleiferrit oder Strontiumferrit, bestehen, die
einen stark negativen Temperaturkoeffizienten der Induktion aufweisen. Die übernormale
Induktion der Eisenleitteile soll über 12 000 G, beispielsweise über 14 000 G, liegen
und kann zur Erzielung einer noch größeren Wirkung auch über 17 000 G hinausgehen.
Es genügt auch, die Eisenleitteile nur an einer oder mehreren Stellen stark zu verjüngen
und so die Induktion an diesen Stellen der Eisenleitteile über 12 000 G, vorzugsweise
über 14 000 G oder mehr zu erhöhen.
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Zur Erhöhung des Streuflusses können außer der Verringerung der Eisenleitquerschnitte
auch andere Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann
man
jeweils den Teil der Eisenleitstücke B des dargestellten Magnetsystems, der an den
Eisenanker C angrenzt und den Dauermagnet A nicht berührt, vergrößern.
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Man kann auch die Eisenleitstücke B breiter und länger als die Dauermagnetquader
A machen, so daß sie über die Kanten des Dauermagnets A überstehen. Auch auf diese
Weise kann der Streufluß verstärkt werden.
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Um die Erfindung praktisch auszuwerten, bedient man sich zweckmäßigerweise
des Flußgesetzes des magnetischen Kreises, nach dem bei Vernachlässigung der magnetischen
Streuung der Fluß 0", = B", - q", (Induktion mal Querschnitt) im Dauermagnet
gleich dem Fluß OF, = BF, ' qF, im Eisenleitstück ist. Da man B und
q im Dauermagnet in den meisten praktischen Fällen kennt und auch über Erfahrungswerte
des Streuverlustes verfügt, kann man q"" so wählen, daß nach der Erfindung BF, Werte
von über 12 000, beispielsweise von über 14 000 oder sogar 17 000 G annimmt. Zum
mindesten erhält man mit den Gesetzen des magnetischen Kreises einen ersten Hinweis
für die Wahl der Eisenquerschnitte nach der Erfindung, der aber oftmals noch durch
den Aufbau von Versuchssystemen mit etwas größeren und kleineren Querschnitten im
Vergleich zur Berechnung zu korrigieren ist.
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Um eine vollständige Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Magnetsysteme
nach der Erfindung zu erzielen, können zusätzlich auch in bekannter Weise Nebenschlüsse
mit Werkstoffen, die einen negativen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität aufweisen,
angeordnet werden.