CH341897A - Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen Wicklung und mindestens einem Kern - Google Patents

Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen Wicklung und mindestens einem Kern

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CH341897A
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Stutz Theo
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Foerderung Forschung Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H01F30/10Single-phase transformers

Description


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 Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen    Wicklung      und      mindestens   einem Kern Die vorliegende Erfindung    betrifft   eine Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen Wicklung und mindestens einem Kern, der wenigstens teilweise aus einem    ferromagnetischen   Material    mit   nichtlinearer    Magnetisierungskurve   besteht. 



  Die bisher bekanntgewordenen Einrichtungen dieser Art haben den Nachteil, dass die durch    Hyste-      resis   im Kernmaterial bedingten Leistungsverluste ungefähr dem Volumen des Kernmaterials proportional sind und daher bei der    Dimensionierung   der Einrichtung nur im Austausch gegen vermehrte Leistungsverluste im Kupfer der Wicklungen    verkleinert   werden können. Insbesondere war es bisher nicht möglich, Drosselspulen und Transformatoren mit nichtlinearer    Magnetisierungskurve   und zugleich mit extrem kleinen Leistungsverlusten herzustellen. 



  Die Einrichtung gemäss vorliegender Erfindung kann bei geeigneter Dimensionierung mindestens um eine Zehnerpotenz kleinere Verlustleistungen aufweisen, als es bisher der Fall war. Dieses Ziel wird bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, dass die    Querschnittsfläche   des Kernmaterials über mindestens eine im Vergleich zur Gesamtlänge des betreffenden magnetischen Kreises kurze Strecke auf einen Wert verengt ist, der kleiner ist als die    Querschnittsfläche   des übrigen magnetischen Kreises. 



     Zweckmässigerweise   beträgt der Querschnitt des magnetischen Kreises an der verengten Stelle weniger als die Hälfte des Querschnittes des übrigen magnetischen Kreises. 



  In der beigefügten Zeichnung sind rein beispielsweise einige    Ausführungsformen   des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.    Fig.   1 zeigt ein erstes    Ausführungsbeispiel   einer als    Transformator   ausgebildeten Einrichtung in Draufsicht. 



     Fig.   2 stellt eine Vorderansicht des gleichen Ausführungsbeispiels dar. 



     Fig.   3 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhanges des magnetischen Flusses in der Sekundärwicklung mit dem Strom in der Primärwicklung des    Transformators   nach    Fig.   1 und 2. 



     Fig.   4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer als Transformator ausgebildeten Einrichtung in Draufsicht und teils im waagrechten Schnitt. 



     Fig.   5 ist eine Vorderansicht des gleichen Ausführungsbeispiels. 



  Gemäss    Fig.   1 und 2 befinden sich .eine Primärwicklung 1 und eine    Sekundärwicklung   2 auf    einem   ringförmig ausgebildeten Kern 3, der aus    ferro-      magnetischem   Material besteht. Das Ganze bildet    einen   elektrischen    Transformator,   dessen Sekundärwicklung 2 in an sich    bekannter   Weise durch den    im   Kern 3 verlaufenden magnetischen Kreis mit der Primärwicklung gekoppelt ist. 



  Zwischen den beiden Wicklungen 1 und 2 weist der Kern 3 zwei verengte Stellen 4 und 5 auf, an denen die    Querschnittsfläche   des magnetischen Kreises über eine im Vergleich zur    Gesamtlänge   des magnetischen Kreises kurze Strecke auf weniger als die    Hälfte   der    Querschnittsfläche   des übrigen magnetischen Kreises    verringert   ist.    Zumindest   an den verengten Stellen 4 und 5 weist das    ferromagnetische      Kernmaterial      eine   nichtlineare    Magnetisierungskurve   auf. 



     Wird   die Primärwicklung 1 des bisher beschriebenen    Transformators   mit einem elektrischen Strom    J1   gespeist, so ergibt sich in dem    die   Sekundärwick- 

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    lung      durchsetzenden   Teilstück des Kernes 3 ein magnetischer Fluss    02:,   dessen Abhängigkeit vom Primärstrom    J1   durch die schematisierte Kurve 8 in    Fig.   3 veranschaulicht ist.

   Solange der    Magnetisie-      rungsstrom      J1   zwischen dem positiven Wert    Jlb   und dem negativen Wert    J1,'   bleibt, ist der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss durch die Sekundärwicklung 2 und dem    Magnetisierungsstrom   proportional. Die Wicklungen 1 und 2 sind dann verhältnismässig stark gekoppelt. Beim Erreichen der Stromwerte    J1,   und    J15'   und damit der sekundären Magnetflüsse    126   und    e2,'   tritt an den verengten Stellen 4 und 5 im    Kernmaterial   Sättigung auf, so dass bei weiterer Zunahme des Primärstromes der magnetische Fluss durch die Sekundärwicklung nur noch verhältnismässig wenig zunimmt.

   Die beiden Wicklungen 1 und 2 sind dann nur noch verhältnismässig schwach miteinander gekoppelt. Ausserhalb der verengten Stellen 4 und 5 ist die Querschnittsfläche des Kernes 3 so gross dimensioniert, dass dort keine Sättigung    auftritt.   



  Wenn man von einer    allfälligen   Streuung absieht, ist der magnetische    Induktionsfluss   in jedem Querschnitt des Kernes 3 der gleiche. An den verengten Stellen 4 und 5 ist jedoch die Induktion um so viel mal grösser, als die    Querschnittsfläche   an den verengten Stellen 4 und 5 kleiner ist als im übrigen Kern 3. 



  Die Leistungsverluste im Kernmaterial sind einerseits etwa proportional dem Volumen des betreffenden Kernmaterials und nehmen anderseits mit der 1,6- bis 2fachen Potenz der Induktion zu. Diese Verluste können aufgeteilt werden in solche, die in den verengten Stellen 4 und 5 entstehen, und solche, die im übrigen Teil des Kernes 3    hervorgerufen   werden. In den verengten Stellen 4 und 5 ist die Induktion ungefähr gleich gross wie bei einem analogen    Transformator   mit überall gleichem Kernquerschnitt und mit derselben Charakteristik 8, wie sie    in      Fig.   3 dargestellt ist.

   Diese verhältnismässig hohe Induktion bleibt aber auf ein geringeres Kernvolumen beschränkt, so dass trotz des hohen Wertes der Induktion die Verlustleistung viel kleiner bleibt als bei dem    erwähnten   analogen    Transformator   mit überall gleichem Kernquerschnitt wie in den Stellen 4 und 5. Im übrigen, dickeren Teil des Kernes 3 ist zwar das Volumen des Kernmaterials grösser, dafür aber die Induktion um ein Vielfaches kleiner als in den Stellen 4 und 5. Da die durch    Hysteresis   verursachten Verluste    mit   sinkender Induktion überproportional abnehmen und mit steigendem Volumen nur etwa    proportional   zunehmen, ergibt sich eine Verminderung der Verluste im Kernteil mit dem grö- sseren Querschnitt.

   Die Summe der Verluste in den verengten Stellen 4 und 5 und in dem dickeren übrigen Teil des Kernes 3 ist    kleiner   als die Verluste, die in einem analogen Transformator mit überall gleichem Kernquerschnitt und mit derselben Charakteristik 8 entstehen. Je kürzer der magnetische Weg in den verengten Stellen 4 und 5 im Vergleich zur Länge des gesamten magnetischen Kreises ist und je kleiner die Querschnittsfläche des Kernes in den verengten Stellen 4 und 5 im Vergleich zum Querschnitt im übrigen Kern ist, um so kleiner werden die Verluste    (gleiche   Charakteristik 8 vorausgesetzt).

   Es hat sich gezeigt, dass die Leistungsverluste bei einer Einrichtung der beschriebenen Art um mindestens eine Grössenordnung, das heisst mindestens um eine Zehnerpotenz, herabgesetzt werden können gegenüber einer Einrichtung üblicher Bauart mit überall gleichem Kernquerschnitt und gleicher Charakteristik. 



  Die in    Fig.   1 und 2 dargestellte Einrichtung weist zusätzlich noch zwei Stege 6 und 7 aus magnetisch leitendem Material auf. Diese Stege sind durch nicht dargestellte    Mittel   verstellbar so montiert, dass zwischen den Endpartien des Steges 6 und dem Kern 3 je ein Luftspalt 16 und zwischen den Endpartien des Steges 7 und dem Kern 3 je ein Luftspalt 17 vorhanden ist, welche Luftspalte 16 und 17 durch Verstellen der Stege verändert werden können. Der Steg 6 bildet einen magnetischen Streupfad, der unter Umgehung der verengten Stellen 4 und 5 vom Hinweg zum Rückweg des magnetischen Hauptflusses durch den Kern 3 und zwischen den Wicklungen 1 und 2    führt,   wobei angenommen ist, dass im betrachteten Augenblick der    Hauptfluss   gemäss den voll ausgezogenen Pfeilen P fliesst.

   Der andere Steg 7 bildet einen magnetischen Streupfad, der unter Umgehung der verengten Stellen 4 und 5 vom Rückweg zum Hinweg des magnetischen Hauptflusses durch den Kern 3 führt. Die beiden Stege 6 und 7 ermöglichen einen magnetischen    Streufluss   entsprechend den gestrichelten Pfeilen Q. Dieser    Streufluss   wird in der Primärwicklung 1 im gleichen Sinn wie der Hauptfluss erzeugt, durchfliesst jedoch die Sekundärwicklung 2 in zum    Hauptfluss   durch diese Wicklung entgegengesetztem Sinn, wie die Pfeile P und Q in    Fig.   1 erkennen lassen.

   Dieser Verlauf des Streuflusses gemäss den Pfeilen Q ist nur deshalb möglich, weil die    verengten   Stellen 4 und 5 dem    Streufluss   einen grösseren magnetischen Widerstand entgegensetzen als der-dickere Teil des Kernes 3 durch die Sekundärwicklung 2. Die Luftspalte 16 und 17 hingegen bewirken, dass der    Streufluss   entsprechend den Pfeilen Q durch die Sekundärwicklung 2 schwächer ist als der magnetische    Hauptfluss   entsprechend den Pfeilen P durch die Sekundärwicklung 2. 



  Durch entsprechende Einstellung der Luftspalte 16 und 17 lässt sich erreichen, dass der resultierende    Magnetfluss   durch die Sekundärwicklung in Abhängigkeit vom Primärstrom durch die Wicklung 1 den in    Fig.   3 durch die Kurve 9 dargestellten Verlauf annimmt. Bei Sättigung des Kernmaterials an den verengten Stellen 4 und 5 bleibt der resultierende    Magnetfluss   durch die Sekundärwicklung auch bei steigender Stromstärke in der Primärspule 1 konstant. Dann liegt eine vollständige Entkopplung der 

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 Sekundärwicklung 2 von der Primärwicklung 1 vor.

   Macht man die Luftspalte 16 und 17 kleiner, so lässt sich die Charakteristik 10 in    Fig.   3 erreichen, gemäss welcher der resultierende    Magnetfluss   durch die Sekundärwicklung 2 bei steigender Stromstärke in der Primärwicklung bei Sättigung der verengten Stellen 4 und 5 sogar wieder abnimmt. 



  Wegen des vollständig symmetrischen Aufbaues der Einrichtung gemäss    Fig.   1 und 2 können die Wicklungen 1 und 2 in ihren Funktionen vertauscht werden, wobei dann analoge Überlegungen für den durch einen Strom in der Wicklung 2 verursachten    Magnetfluss   durch die Wicklung 1 gelten. 



  Die in    Fig.   4 und 5 dargestellte Einrichtung unterscheidet sich von der beschriebenen im wesentlichen nur durch eine zusätzliche Wicklung 18, mit deren Hilfe eine    Vormagnetisierung   von die verengten Stellen 4 und 5 enthaltenden Partien des Kernes 3 herbeigeführt werden kann. Die Wicklung 18 umgibt die beiden Stege 6 und 7 in der Weise, dass diese im betrachteten Zeitmoment, z. B. gemäss den in    Fig.   4 eingezeichneten N- und    S-Polen,   magnetisiert werden, wenn die Wicklung mit Strom entsprechender Richtung gespeist wird.

   Es bildet sich dann ein    Vormagnetisierungsfluss   gemäss den Pfeilen R in    Fig.   4 aus, welcher    Vormagnetisierungsfluss   die beiden Wicklungen 1 und 2 jedoch nicht durchsetzt, wenn sich die beiden verengten Stellen 4 und 5 bezüglich ihrer magnetischen    Permeabilität   gleich verhalten. Aus diesen und aus Symmetriegründen ist dann die Wicklung 18 gegen die beiden Wicklungen 1 und 2 entkoppelt.

   Der Strom in der Wicklung 18 übt jedoch eine Steuerfunktion auf die Kopplung zwischen den Wicklungen 1 und 2 aus, indem er, je nach der Stromstärke die verengten Stellen 4 und 5 mehr oder weniger vormagnetisiert, wodurch diese bei kleineren oder erst bei grösseren Werten des Stromes in der Wicklung 1 bzw. 2 gesättigt sind und damit die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen 1 und 2 unterbrechen, wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Dieser Vorgang der Steuerung einer magnetischen Kopplung ist an sich von den bisherigen Ausführungsarten magnetischer Verstärker her bekannt und braucht daher hier nicht näher erläutert zu werden. 



  Eine    Vormagnetisierung   der verengten Stellen 4 und 5 kann auch mit Hilfe von Permanentmagneten hervorgerufen werden, indem z. B. die beiden Stege 6 und 7 aus permanent magnetischem Material hergestellt werden, so dass sie die in    Fig.   4 angedeutete Polarisierung aufweisen. Die Wicklung 18 kann dann weggelassen sein. Durch entsprechende Einstellung der Luftspalte 16 und 17 lässt sich dann die Vormagnetisierung auf das gewünschte Mass bringen, damit die Sättigung der Stellen 4 und 5 bei einer bestimmten Stromstärke durch die Wicklung 1 bzw. 2 eintritt. 



  Es gibt selbstverständlich noch andere Wege, um eine    Vormagnetisierung   der verengten Stellen 4 und 5 in dem gewünschten Mass herbeizuführen. Anstelle eines ringförmigen Kernes 3 könnte auch ein    mehrschenkliger   Kern vorhanden sein, z. B. nach Art    eines      Dreischenkelkernes   bekannter Transformatoren. Es ist auch nicht in allen Fällen nötig, die Einrichtung symmetrisch auszubilden, wie bei den gezeigten Ausführungsbeispielen.

   Handelt es sich beispielsweise um einen Transformator der zuerst beschriebenen Art und ohne die Stege 6 und 7, so kann der Kern 3 nur eine einzige verengte Stelle 4 oder 5 aufweisen, die entweder im Hinweg oder im Rückweg des    magnetischen   Kreises zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 2 angebracht sein    kann.   



  Die Einrichtung braucht nicht in jedem Fall    als   Transformator ausgebildet zu sein und zwei Wicklungen 1 und 2 zu haben; sie kann auch eine Drosselspule mit z. B. nur einer Wicklung sein, in welchem Fall ebenfalls nur eine einzige verengte Stelle in dem den magnetischen Kreis bildenden Kern vorhanden zu sein braucht. Auch im Fall einer Drosselspule ergeben sich die beschriebenen Vorteile hinsichtlich einer    Verminderung   der Leistungsverluste durch Gliederung des Kernes in mindestens eine verengte Stelle und einen restlichen, dickeren Teil. 



  Auch wenn die    Einrichtung   als Drosselspule ausgebildet ist, kann eine    Vormagnetisierung   der verengten Stelle des Kernes durch eine Hilfswicklung oder durch    Permanentmagnete   angewendet werden, um den Verlauf der nichtlinearen Charakteristik zu verändern. 



  Einrichtungen der beschriebenen Art haben mannigfache Anwendungsgebiete als nichtlineare Schaltelemente und magnetische Verstärker usw.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen Wicklung und mindestens einem Kern, der wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material mit nichtlinearer Mag netisierungskurve besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Kernmaterials über mindestens eine im Vergleich zur Gesamtlänge des betreffenden magnetischen Kreises kurze Strecke auf einen Wert verengt ist, der kleiner ist als die Querschnittsfläche des übrigen magnetischen Kreises. UNTERANSPRüCHE 1.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises an der verengten Stelle (4 bzw. 5) weniger als die Hälfte der Querschnittsfläche des übrigen magnetischen Kreises beträgt. 2. Einrichtung nach Patentanspruch, mit mindestens einer Primär- und mindestens einer Sekundärwicklung, welche Wicklungen durch einen magnetischen Kreis miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verengte Stelle (4 bzw. 5) des magnetischen Kreises (3) zwischen der Primär- <Desc/Clms Page number 4> wicklung (1) und der Sekundärwicklung (2) angeordnet ist. 3. Einrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetischer Streupfad (6 bzw.
    7) vorhanden ist, der die Primärwicklung (1) und die Sekundärwicklung (2) in gegenüber demjenigen des erstgenannten magnetischen Kreises (3) umgekehrtem Sinn koppelt. 4. Einrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Streupfad mindestens einen einstellbaren Luftspalt (16 bzw. 17) aufweist. 5. Einrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis (3) zwei verengte Stellen (4 und 5) aufweist, eine im Hinweg und eine im Rückweg des magnetischen Flusses zwischen der Primärwicklung (1) und der Sekundärwicklung (2). 6.
    Einrichtung nach Unteransprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, d'ass zwei magnetische Streupfade (6 und 7) vorhanden sind, die unter Umgehung der beiden verengten Stellen (4 und 5) des erstgenannten magnetischen Kreises (3) vom Hinweg zum Rückweg bzw. vom Rückweg zum Hinweg dessen magnetischen Flusses führen, so dass der durch die Streupfade vermittelte Streufluss die verengten Stellen (4 und 5) nicht durchläuft. 7. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Vormagnetisieren der verengten Stelle (4 bzw. 5) des magnetischen Kreises (3) vorhanden sind. B. Einrichtung nach Unteransprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Streupfad (6 bzw. 7) mindestens teilweise durch einen Permanentmagneten gebildet ist. 9.
    Einrichtung nach Unteransprüchen 3 und dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Streupfad (6 bzw. 7) durch mindestens eine weitere Wicklung (18) führt, durch deren Strom die Vormagneti- sierung herbeiführbar ist, zwecks Steuerung der Kopplung zwischen der Primärwicklung (1) und der Sekundärwicklung (2).
CH341897D 1956-03-07 1956-03-07 Einrichtung mit mindestens einer elektromagnetischen Wicklung und mindestens einem Kern CH341897A (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0352924A2 (de) * 1988-07-29 1990-01-31 International Business Machines Corporation Induktive Anordnung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0352924A2 (de) * 1988-07-29 1990-01-31 International Business Machines Corporation Induktive Anordnung
EP0352924A3 (de) * 1988-07-29 1990-11-07 International Business Machines Corporation Induktive Anordnung

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