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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.