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Variable Drosselspule und Verfahren zu ihrem Betrieb Vorliegende Erfindung betrifft eine variable Drosselspule zur Regelung hochfrequenter Starkstromkreise, insbesondere zur Regelung der von solchen Kreisen abgegebenen Heizleistungen, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Drosselspule.
In hochfrequenten Heizvorrichtungen fliessen durch die Leitungen und elektrischen Vorrichtungen verhältnismässig starke Ströme, und es ist darum unzweckmässig, Vorrichtungen zu verwenden, welche Gleitkontakte enthalten. Anderseits werden oft leicht zu handhabende, kontinuierlich wirkende Vorrichtungen benötigt, die genau eingestellt werden können, um z. B. den Strom zu regulieren, der die Wärmeabgabe an das zu erwärmende Objekt bedingt und solcherart die erzeugte Wärmemenge zu regeln.
Die Stromstärke in einem Kreis kann ohne Verwendung von Kontakten mit Hilfe von variablen Drosselspulen oder Selbstinduktoren eingestellt werden, und es ist allgemein bekannt, dass die Impedanz ,einer Drosselspule, also einer Spule mit einer oder mehreren Windungen, dadurch verändert werden kann, dass man eine magnetische oder eine nichtmagnetische, aber elektrisch leitende Masse in das Magnetfeld der Spule bringt, oder daraus entfernt. Wenn z. B. ein Kupferzylinder in das Innere der Spule gebracht wird, ohne die Windungen zu berühren, wird die Impedanz der Spule stark vermin- dert und praktisch auf einen sehr geringen Wert herabgesetzt, wenn der Raum innerhalb der Spule mit der Kupfermasse weitgehend ausgefüllt wird.
Dieses Hilfsmittel kann in einer Drosselspule zur Regelung von hochfrequenten Starkstromkreisen gut verwendet werden, aber man kann auf diese Weise die Reaktanz nur vom Maximalwert, den die Spule ohne Kern besitzt, auf einen nahe bei Null liegenden Wert variieren, wenn der Raum in der Spule und in der Nähe derselben mit einer solchen leitenden nichtmagnetischen Masse ausgefüllt ist. Die Reaktanz der Spule kann auf diese Art nicht über den Wert vergrössert werden, den sie ohne einen solchen Kern besitzt.
Ist das Mittel zur Einstellung der Impedanz der Spule magnetisch, kann dadurch die Impedanz der Spule erhöht werden, und es wurde festgestellt, dass in manchen Fällen der Einstellbereich, den man entweder mit einem magnetischen oder einem nichtmagnetischen leitenden Glied einzeln erreichen kann, in der Praxis ungenügend ist.
Vorliegende Erfindung betrifft eine variable Drosselspule zur Regelung hochfrequenter Stromkreise, deren Impedanz sowohl höher als auch niedriger eingestellt werden kann als der Wert, den die Spule ohne Kern oder sonstige Hilfsmittel hätte.
Die erfindungsgemässe variable Drosselspule zur Regelung hochfrequenter Starkstromkreise besteht aus einer Spule mit einer oder mehreren Windungen und einem im Inneren der Spule angebrachten, in axialer Richtung beweglichen Kern und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen ersten Teil aufweist, der zum Teil aus nichtmagnetischem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht und in Verlängerung dieses ersten Teils und damit verbunden ein zweiter Teil vorgesehen ist, der elektrisch nichtleitendes magnetisches Material enthält.
Die Betätigung der Drosselspule erfolgt derart, dass man den beweglichen Kern der Drosselspule, die in einen eine hochfrequente Stromquelle und mindestens einen Verbraucher enthaltenden Stromkreis eingeschaltet ist, axial verschiebt. Wenn der Kern sich in solchen Stellungen befindet, d@ass der innerhalb der Spule befindliche Teil desselben ganz oder zum grossen Teil aus dem nichtmagnetischen Material besteht, kann die Reaktanz von ihrem Normalwert gegen Null hin variiert werden.
Wird der
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Kern derart verschoben, dass der innerhalb der Spule befindliche Teil überwiegend aus magnetischem Material besteht, so kann die Reaktanz der Vorrichtung auf oberhalb des Normalwertes der Spule liegende Werte eingestellt werden. Befindet sich der Kern in einer solchen Lage, dass die magnetischen und die nichtmagnetischen Massen etwa zu gleichen Teilen im Innern der Spule vorhanden sind, so kann man genau regulierte Reaktanzwerte oberhalb und unterhalb des Normalwertes erzielen.
Wird eine erfindungsgemässe Drosselspule in einer Hochfrequenzheizvorrichtung verwendet, entstehen besondere Probleme, die bei Schwachstromvorrichtungen, z. B. nachrichtentechnischen Vorrichtungen, nicht auftreten. So kann es infolge der hohen Stromstärken nötig sein, Wasserkühlung für das Regulierungsglied zu verwenden und wegen der geringen Anzahl der Spulenwindungen muss das Regulierungsglied mit diesen eng gekoppelt und daher sehr nahe bei diesen angebracht sein. Für solche Verwendungszwecke kann der Kern oder ein Teil desselben, und zwar vorzugsweise das elektrich nichtleitende magnetische Material, in einer Hülle aus isolierendem Stoff, z. B. aus Kunstharz, untergebracht sein.
Der Kern kann Durchflussöffnungen enthalten zum Durchströmen eines Kühlmittels, z. B. von Wasser. Zu diesem Zweck kann das magnetische Material aus parallel angebrachten, mit ihren Enden aufliegenden Stäben bestehen, die voneinander durch Zwischenräume getrennt sind, die zum Durchfluss des Kühlmittels dienen.
In vielen Fällen ist es erwünscht, mehrere Heiz- leiter von einer gemeinsamen Hochfrequenzquelle aus zu speisen, und es soll die jedem Heizleiter zugeführte Leistung einzeln einstellbar sein. Ist die Stromquelle ein Hochfrequenzalternator, der durch einen Motor angetrieben wird, so ist es wichtig, dass der Leistungsfaktor der Belastung nahezu Eins ist und daher die zur Einstellung der jedem Heizleiter abzugebenden Leistung dienenden Hilfsmittel einen möglichst geringen Einfluss auf den Leistungsfaktor haben.
Soll also die erfindungsgemässe Drosselspule in einem eine Stromquelle und mehrere Verbraucher enthaltenden hochfrequenten Stromkreis verwendet werden, so muss man zu jedem Verbraucher parallel je eine erfindungsgemässe Drosselspule schalten, und will man die einem Verbraucher zugeführte Leistung regulieren, so ist der Kern der mit diesem Verbraucher parallel geschalteten Drosselspule axial zu verschieben.
Die Erfindung wird anhand der beigelegten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine kombiniert schematische und perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Stromkreises, in welchem die erfindungsgemässe Vorrichtung betrieben werden kann; im Stromkreis befindet sich ein Heiz- leiter (Arbeitsspule) zur Induktionsheizung und Fig. 4 und 5 zeigen Schaltungen anderer ähnlichem Zweck dienender Schaltungen.
In den Fig. 1 und 2 ist die variable Drosselspule oder Selbstinduktor in Form einer Spul,. 10 mit einer Windung dargestellt, die aus einem Metallkörper mit rechteckigem Querschnitt besteht mit einem zentralen Hohlraum 11. Der Metallkörper ist an einer Seite, z. B. an der Sohle, aufgeschlitzt, so dass ein Spalt 12 gebildet wird, dessen Seiten die Enden der einzigen Windung darstellen. Es können Teile 13 und 14 angebracht sein, die an die Zuführungen der Hochfrequenzspannung angeschlossen sind.
Ein Regulierungsglied in Form eines Tauchkernes 15 ist durch beliebige Tragvorrichtungen (nicht gezeichnet) getragen, so dass der Kern in beiden mit Pfeilen 16 bezeichneten Richtungen axial zur Bohrung 11 der Spule 10 bewegt werden kann. Der Kern hat zylindrische Gestalt und einen solchen Durchmesser, dass bei richtiger Einstellung seine leitenden Teile nicht mit der Innenfläche der Bohrung 11 in Berührung kommen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Kern auf seiner rechten Seite einen Zylinder 17 auf aus nichtmagnetischem, gutleitendem :Material, wie Kupfer. Ein röhrenförmiger Behälter 18 aus Isolierstoff ist an einem Ende des Teils 17 durch eine Gewindeverbindung befestigt. Der Behälter 18 kann aus Kunstharz, z. B. Phenolharz, bestehen, das höhere Temperaturen erträgt. In diesem Behälter ist derjenige Teil des Kerns untergebracht, der aus magnetischem Material besteht; die Zeichnung zeigt eine Gruppe von festen Stäben 20, die gepulvertes ferro- magnetisches Material enthalten. Dieses kann aus gesintertem Oxyd bestehen, das isolierend wirkt, und zweckmässig einen niedrigen Verlustfaktor und hohen elektrischen Widerstand aufweist, wie z.
B. das von der General Ceramic & Steatite Corp. in Handel gebrachte Ferramic . Das verwendete Material soll eine grössere Permeabilität als 1 haben, zweckmässig ein Vielfaches dieses Wertes. Die magnetischen Teile sollen fein verteilt sein, um die Verluste niedrig zu halten. Es kann z. B. feinverteiltes Carbonyleisen gemischt mit einem isolierenden Kunstharz verwendet werden.
Da während des Betriebes eine beträchtliche Wärmemenge im Kern entwickelt wird, werden Mittel zur Kühlung desselben angewendet. So kann der Metallteil 17 mit Durchflussöffnungen 21 und 22 für die Kühlflüssigkeit und mit Zuleitungen 23, 24 zwecks Verbindung mit einer Quelle von Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, versehen sein, welche durch die Hohlräume in die Zwischenräume zwischen den Stäben aus magnetischem Material fliessen kann.
Wenn man den grösstmöglichen Reaktanzwert der Vorrichtung erzielen will, so wird der Kern in eine Stellung gebracht, in welcher die Spulenwindung 10 denjenigen Teil des Kerns umfasst, der das magnetische Material enthält, so dass dieses auf beiden Seiten der Bohrung 11 so weit hinausragt, dass es den grössten Teil des die Windung 10 umgebenden
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Magnetfeldes schneidet. Um den Wert der Reaktanz zu verringern, schiebt man den Kern 15 mehr nach links.
Schiebt man den Kern 15 so weit, dass die Bohrung 11 teilweise durch das magnetische Kernmaterial und teilweise durch den Teil 17 ausgefüllt wird, kann die Reaktanz der Vorrichtung auf ihren Normalwert herabgesetzt werden, wie wenn der Kern 15 gar nicht vorhanden wäre. Wird der Kern 15 weiter nach links bewegt, so dass die Bohrung 11 beinahe oder ganz durch den metallischen Teil 17 ausgefüllt wird, so verringert man die Reaktanz unterhalb diesen Normalwert.
Fig. 3 zeigt eine hochfrequente Stromquelle 30, die aus einem Vakuumröhrenoszillator oder einem Motorgenerator bestehen kann. An diese Quelle ist ein Stromkreis angeschlossen, enthaltend eine erfindungsgemässe variable Drosselspule 31, die, wie gezeichnet, mehrere Windungen besitzt und in welcher ein Kern 15 axial beweglich angebracht ist, wie der Kern 15 in Fig. 1 und 2.
Die Stromquelle erzeugt vorzugsweise einen Strom von der Frequenz 9 bis 500 Kilohertz und die Drosselspule 31 ist von der Stromquelle 30 magnetisch entkoppelt oder isoliert. Fig. 3 zeigt die Drosselspule 31 parallel mit dem Heizleiter 32 geschaltet, der die Form einer Arbeitsspule hat und für induktive Heizung verschiedener Art verwendet werden kann. Die Stromquelle 30 kann Mittel umfassen zur schrittweisen Regelung der an die Spule 32 fliessenden Leistung. In diesem Falle kann die Vorrichtung 31 zur Feineinstellung des durchfliessenden Stromes verwendet werden, die eine Regulierung um Prozente ermöglicht, z. B. im Bereich von 25 Prozent Tiber oder unter einem gegebenen Wert.
Wird die Vorrichtung 31 derart betrieben, dass ihre Reak- tanz verringert wird, d. h. der leitende Teil 17 in die Spule geschoben, fliesst durch den Heizleiter weniger Strom und mehr durch die erfindungsgemässe Drosselspule 31, wenn demgegenüber die Vorrichtung 31 so betrieben wird, dass ihre Reaktanz steigt, also der magnetische Teil des Kerns in die Spule geschoben wird, so wird weniger Strom durch die Drosselspule 31 und mehr durch den Heizleiter 32 fliessen.
An Stelle eines induktiven Heizleiters kann im Stromkreis ein anderes Hilfsmittel zur Wärmeerzeugung verwendet werden. Die Spule 32 kann z. B. durch einen Widerstandsheizkörper ersetzt werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Stromquelle 30 ist mit den Kontakten 35 und 36 verbunden, die an einander gegenüberliegenden Seiten einer in der fortschreitenden Länge des Metallrohres 37 befindlichen Spalte anliegen, so dass der Strom die Kanten der Spalte durch Widerstandsheizung erwärmt in dem Masse, wie die Kontakte sich dem Ende der Spalte an der Schweissstelle 20 nähern. Eine solche Widerstandsheizung kann auch an Stelle der in Fig. 5 gezeichneten Spulen 32 treten.
Abgesehen von dem soeben beschriebenen Heizkörper, der auch durch eine Heizspule 32 ersetzt werden kann, unterscheidet sich die in Fig. 4 ge- zeigte Vorrichtung von der in Fig. 3 gezeigten dadurch, dass die variable Drosselspule 31 unterschiedlich angebracht ist. Gemäss Fig. 4 ist die hoch- frequente Stromquelle 30 zum Heizkörper durch die damit in Serie geschaltete variable Drosselspule 31 verbunden.
Das in Fig. 4 gezeigte Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Drosselspule 31 unterscheidet sich teilweise von demjenigen, das in Fig. 3 gezeigt wurde, indem hier die Erhöhung der Reaktanz der Drosselspule 31 den Heizstrom im Heizleiter erniedrigt. In anderer Hinsicht entspricht die in Fig. 4 gezeigte Betriebsweise derjenigen von Fig. 3.
Fig. 5 zeigt die Schaltung einer Einrichtung, in welcher die hochfrequente elektrische Leistung von einer Generatoranordnung 40 an eine Mehrzahl von Heizleitern oder Arbeitsspulen 32 geliefert wird. Der Motor 41 des Generators 40 wird von einer hier nicht dargestellten Leitung gespeist und treibt den Alternator oder Generator 42. Der Generator 42 liefert elektrische Leistung, beispielsweise von 9600 Hertz an die Leitungen 43 und 44.
Alle Heizspulen 32 sind an die Leitungen 43 und 44 und demgemäss an den Generator 42, in Serie mit der angezapften Spule 45 angeschlossen, die zur Roheinstellung der an die Heizspulen 32 abgegebenen Leistung verwendet werden kann.
Der Generator 42 muss aus dem Fachmann bekannten Gründen eine solche Belastung haben, deren Leistungsfaktor möglichst nahe bei Eins ist. Die parallel zu jedem, aus der angezapften Spule 45 der variablen Drosselspule 31 und der Heizspule 32 bestehenden Kreis angebrachten Kondensatoren 46 bilden eine Mehrzahl von parallelen Schwingungskreisen mit solchen Bestandteilen, die, wenn sie zur Resonanz mit der Frequenz des vom Generator 42 gelieferten Stromes gebracht sind, auch eine solche Belastung des Generators 42 darstellen, deren Leistungsfaktor im wesentlichen gleich Eins ist.
Man soll im allgemeinen die Möglichkeit haben, die an einen Gegenstand abgegebene Heizleistung im Feld jeder einzelnen Heizspule fein zu regulieren. Die Regelung der Leistung des Generators 42 wirkt sich gleichzeitig auf alle Spulen 32 aus und die Spulen 45 erlauben nur eine rohe Regelung und haben ausserdem bewegliche Kontakte. Um also eine individuelle Feineinstellung der Leistung jeder einzelnen Station ohne Verwendung von Kontakten zu erzielen, werden mehrere erfindungsgemässe Drosselspulen 31 in den Verbraucherkreis geschaltet, und zwar je eine Drosselspule 31 parallel zu jeder Heiz- spule 32.
Die Parallelschaltung der Drosselspulen ist ihrer Serienschaltung vorzuziehen, da die Regulierung von in Serie geschalteten Drosselspulen recht grosse Änderungen im Leistungsfaktor des Verbraucherkreises hervorrufen würde. Hingegen kann eine mit der Heizspule 32 parallel geschaltete Drosselspule 31, wie sie aus Fig. 5 ersichtlich ist, in ihrem vollen Bereich reguliert werden, ohne dass der Leistungs-
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faktor eine solche Änderung erleiden würde, die den zufriedenstellenden Betrieb des Motor-Generators in Frage stellt.
Mit Hilfe der beschriebenen Schaltungen ermöglicht die beschriebene Drosselspule die Höhe der an die Arbeitsstelle gelieferten Leistung durch eine sehr einfache Konstruktion, ohne Unterbrechung des Stromes fein zu regulieren. So ist diese Vorrichtung gut geeignet, überall dort verwendet zu werden, wo die verbrauchte Leistung von Zeit zu Zeit oder ständig variiert werden muss, ohne die Stromquelle nachteilig zu beeinflussen und ohne von der gleichen Stromquelle gespeiste andere Stromkreise zu stören.