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Elektrische Vorrichtung mit in einem Wechselfeld befindlichem Ferromagnetikum Die Erfindung bezieht sich auf mit in einem elektrischen Wechselfeld befindlichen Ferromagnetika ausgerüstete elektrische Anordnungen, insbesondere auf Drosseln, Magnetverstärker und Transformatoren. Diese Anordnungen sind allgemein bekannt und finden breiteste Verwendung.
In vielen Fällen ist es dabei erwünscht, das im Bereich des elektrischen, Wechselfeldes liegende und durch dieses mag netin sierte Ferromagnetikum vorzumagnetisieren oder aber auch seine Magnetisierung unabhängig vom Wechselfeld zu verändern.
Es ist ebenso bekannt, Ferromagnetika durch ein, elektrisches Gleichfeld zu magnetisieren. Legt man beispielsweise im Falle einer Drossel um einen ringförmig oder rechteckförmig geschlossenen Eisenkern sowohl eine von Wechselstrom durchflossene Spule als auch, vorzugsweise an einer andern Stelle des Eisenkernes, eine von Gleichstrom durchflossene Spule, so wirkt das Gleichstromfeld als Vormagneti- sierung der Drossel.
Gleichzeitig werden aber in den von Gleichstrom durchflossenen Spulen infolge des die Spulen durchsetzenden. magnetischen Wechselflusses elektrische Spannungen induziert, die in der Grössenordnung von einigen 1000 Volt liegen können. Diese hohen induzierten Spannungen führen zu erheblichen Isolationsschwierigkeiten. Für vormagnetisierte Drosseln verwendet man daher nicht nur eine Wechselstrom- und eine Gleichstromspule, sondern eine Wechselstromspule und zwei Gleichstromspulen oder umgekehrt oder sogar zwei Wechselstrom- und zwei Gleichstromspulen.
Diese Spulen werden so miteinander verschaltet, d'ass sich die in den Gleichstromspulen induzierten Spannungen wenigstens zum Teil aufheben. Üblicherweise werden bei Drosseln mit drei Spulen. die Spulen auf die Schenkel eines dreischenkligen rechteckförmigen Eisenkerns gebracht, wobei entweder die beiden Gleichstrom- oder aber die beiden Wechselstromspulen die äussern Schenkel umfassen..
Diese Anordnungen für vormagnetisierte Drosseln erfordern also einen gewissen Aufwand an Material. Infolge des durch die Zahl der Spulen und der Schenkel des Eisenkerns bedingten Raumbedarfes, tritt ausserdem eine verhältnismässig grosse Streuung und somit ein nicht zu vernachlässigender Streuverlust auf.
Zur stufenlosen Regelung der Stromstärke von Transformatoren werden bekannterweise magneti- sierbare Nebenschlüsse, vorzugsweise lamellierte Blechkörper, so angebracht, dass die Sekundärspule des Transformators von einem mehr oder minder grossen Induktionsfluss durchsetzt werden kann. Die üblichen Ausführungen solcher Nebenschlüsse, bei denen der Luftspalt zwischen ihnen und den Eisenkernen des Transformators verändert wird, bedingen komplizierte Führungsmechanismen und weisen infolge der durch die periodisch wechselnden Kräfte des Magnetfeldes unvermeidlichen Vibrationen verschiedene Nachteile auf.
Auch bei einer wesentlich günstigeren Ausführungsform, bei der Regeljoche aus kreisförmigen Scheiben mit geeignet geformten Aussparungen bestehen, ist eine Drehachse für die Regeljoche erforderlich.
Statt der magnetischen Nebenschlüsse können zur stufenlosen Regelung der Stromstärke in Transformatoren Regeldrosseln mit kontinuierlich ver- änderlicher Windungszahl oder veränderlichem Luftspalt verwendet werden. Sie bedingen aber einen Materialaufwand, der eine erhebliche Verteuerung zur Folge hat. Im Falle der Verwendung vormagnetisier- ter Drosseln gelten ausserdem die oben angestell- ten Überlegungen.
Gemäss der Erfindung können die aufgezeigten Nachteile vermieden und die Vorrichtungen, ver-
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einfacht werden durch besondere Anordnung und Lage von Gleich- und Wechselstromspulen zueinander.
Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit einem in einem elektrischen Wechselfeld: befindlichen und von einer gleichstromdurchflossenen Spule beeinflussten Ferromagnetikum, wobei die Achse der Gleichstromspule im wesentlichen senkrecht zur Achse des magnetischen Wechselfeldes im Ferromagne- tikum steht, um in der Gleichstromspule praktisch die Induktion einer Wechselspannung zu verhindern.
Beispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung in Anwendung auf Drosseln, Magnetverstärker und' Transformatoren sollen an Hand der Figuren erläutern werden: Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung an Hand eines von einem Wechselfeld beeinflussten lamellier- ten Eisenkernes.
Fig. 2 gibt in Draufsicht eine Ausführungsform wieder, die als Drossel oder Magnetverstärker dienen kann.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Einphäsen-Streufeldtransformators. Fig. 4 gibt einen Schnitt in Richtung IV-IV der Fig. 3 wieder.
Fig. 5 stellt eine Anwendung der Erfindung auf einen Drehstrom-Regeltransformator beispielsweise dar.
In Fig. 1 ist ein. Teil eines lamellierten Blechkör- pers 1 dargestellt, in dem ein magnetischer Wechselfluss sich in den Richtungen a-b bewegt. Die von Gleichstrom durchflossene Erregerspule 2 liegt mit ihrer Achse senkrecht zur genannten Richtung ca-b (Achse) des magnetischen Wechselflusses. Bei Gleichstromfluss durch die Erregerwicklung 2 bildet sich in dem lamellierten Blechkörper 1 ein Magnetfeld (Gleichfeld), das etwa so verläuft, wie die mit 3 bezeichneten Linien andeuten.
Durch diesen Magnetfluss wird, der Eisenkern örtlich mit Bezug auf den: Wechselfluss in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert.
Auf diese Weise können, wie Erfahrungen und theoretische Überlegungen zeigen, durch Vormagne- tisierung regelbare Drosseln hergestellt werden, die nur eine Wechselstrom- und eine Gleichstromspule benötigen, da nun ein Gegeneinanderschalten mehrerer Spulen zur Aufhebung induzierter Spannungen nicht mehr erforderlich ist. Hierdurch wird eine Einsparung an Material erzielt. Der Raumbedarf und infolgedessen der Streuverlust der erfindungsgemässen vormagnetisierten Drosseln wird wesentlich geringer als der bekannter Anordnungen.
Im allgemeinen wird man für eine Drossel als Ferromagnetikum einen rechtwinkligen, vorzugsweise lamellierten Blechkörper benutzen, um dessen einen Schenkel die Wechselstromspule gelegt wird, während die Gleichstromspule einen andern Schenkel zweifach durchsetzend angebracht wird.
Eine weitere Ausführungsform zeigt die Fig. 2 in Draufsicht. Der ferromagnetische Körper 4 ist vorzugsweise aus kreisförmigen Eisenblechen zusam- mengesetzt. Er ist mit achsparallelen Bohrungen 5 und 6 versehen. Durch die radial gegenüberliegenden Bohrungen wird je eine Spule 7 und 8 geführt, von denen eine Spule 7 von Gleichstrom, die andere, 8, von Wechselstrom durchflossen wird.
Durch den Gleichstrom wird der Eisenweg, dien der Wechselfluss nehmen wird, örtlich vormagnetisiert. Mit einer Anordnung dieser Art kann auf engstem Raum ein Magnetverstärker oder auch eine vormagnetisierte Drossel gebaut werden. Aus Fig. 2 ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Achse x -x der Gleichstromspule 7 senkrecht zur Achse z-z der Wechselstromspule 6 bzw. zur Achse z-z des durch sie erzeugten Wechselfeldes steht.
Die Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Einphasenregeltransformator beispielsweise. Die Primärspulen 9 des Transformators sind so geschaltet, dass der Wechselfluss jeweils in einer Richtung läuft und in den zwischen je zwei Primärspulen 9 angebrachten Sekundärspulen 10 Spannungen induziert werden. Zwischen den Eisenkernen des Transformators sind beiderseits der Sekundärspulen 10 Regeljoche 11, vorzugsweise lamellierte Blechkörper, fest angebracht, die als magnetische Nebenschlüsse dienen. Sie lenken den magnetischen Fluss bei Belastung der Sekundärspule 10 ab.
Wie Fig. 4 im Schnitt zeigt, ist in diese lamellierten Blechkörper 11 je eine Spule 12 in der erfindungsgemässen Art eingewickelt, das heisst so, dass deren Achsen senkrecht zur Achse der Wechselfelder in den Schenkeln 11 stehen. Bei Gleichstromfluss in den Spulen 12 werden die Blechkörper 11 vormagnetisiert und der Weg für den Wechselfluss in ihnen je nach Grösse der Gleichstrommagnetisierung gesperrt. Bei völliger Sperrung fliesst in den Sekundärspulen 10 der höchste Strom. Durch diese erfindungsgemässe Vorrichtung entfallen also alle Material, Raum und Montageaufwand erfordernden Führungsmechanismen für die Regeljoche.
Bei allen erfindungsgemässen Spulenanordnungen dringt zwar ein gewisser Anteil 'des Wechselflusses in die Gleichstromspule ein, so d'ass eine geringfügige Induktion einer Wechselspannung in der Gleichstromwicklung möglich ist. Diese Beeinflussung ist jedoch im Vergleich zu einer andern Anordnung der Spulenebene verhältnismässig gering. Durch geeignete Ausbildung des lamellierten Blechkörpers 11, der Ureiter bemessen ist als die Spulenwicklung, kann dieser Einfluss noch weiter herabgesetzt werden.
Wie Fig. 3 zeigt, können z. B. bei Scheibentransformatoren eine ganze Anzahl von gleichstrom- vormagnetisierten Ferromagnetika in Form von schmalen Blechkörpern 11 eingebaut werden, so dass je nach Regelbereich eine grössere oder geringere Vormagnetisierung erreicht wird;, deren Wirkungen sich summieren.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform kann ein einfacher Einphasen-Transformator auch aus einem doppel rechteckförmigen Eisenkern bestehen, um dessen ersten und zweiten Schenkel die Primär-
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und Sekundärwicklungen aufgebracht sind, und in dessen dritten Schenkel zur Regelung eine Gleichstromspule in der erfindungsgemässen Art eingewickelt ist.
Die stufenlose Regelung der Stromstärke in Drehstrom-Transformatoren mit Hilfe einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt die Fig. 5 im Querschnitt beispielsweise. Es handelt sich hier um einen Drehstrom-Transformator, bei dem die drei die Wechselstromspulen 14 aufnehmenden Schenkel 13 auf einem Kreis im Abstand von 120 voneinander angeordnet sind. Ein feststehendes Streupaket 15 aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise ein lamellierter Eisenkörper, befindet sich innerhalb dieser Schenkelanordnung, z. B. auf halber Höhe. Das Streupaket weist drei durch die Mitte der Schenkel 13 gehende axiale Symmetrieebenen 0-A, 0-B, 0-C auf. Es wird von drei Gleichstromspulen 16, 17, 18 in der erfindungsgemässen Art durchsetzt.
Die mittlere Windungsebene jeder der drei Gleichstromspulen liegt dabei vorzugsweise in einer der drei genannten Symmetrieebenen, und zwar zwischen dem Schenkel und der Mitte der Schenkelanordnung. Der infolge Gleichstromflusses in den Spulen 16, 17, 18 den Eisenkörper vormagnetisierende Fluss ist (Linien mit Pfeil) in der Figur angedeutet. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform für einen Drei- phasentransformator ist analog zu der des in Fig. 3 und 4 dargestellten Einphasen-Transformators. Bei Nichtvorhandensein der Gleichstromspulen schliessen sich die Streuflüsse im Turnus längs der strichpunktierten Achsen.
Die Achsen x-x der Gleichstromspulen stehen also auch hier senkrecht zu den Achsen bzw. Hauptrichtungen 0-A, 0-B, 0-C der Wechselfelder. Auch hier entfallen wieder die bei den bekannten Anordnungen ähnlichen Aufbaues erforderlichen Führungsmechanismen zur Drehung des magnetischen Nebenschlusses.
Bei der Herstellung der erfindungsgemässen Anordnungen kann selbstverständlich die Gleichstromspule durch die für sie vorgesehenen Bohrungen aufgewickelt werden. Genau so gut ist es aber möglich, den Eisenkern aus zwei Teilen so zusammenzusetzen, dass zwischen die beiden Teile die fertiggewickelte Spule angebracht werden kann. In diesem Fall wird man jedoch zweckmässigerweise Sorge dafür tragen, dass die Spaltebene im Eisenkern parallel zu den magnetischen Wechselfeldlinien liegt, so dass der Spalt das magnetische Feld nicht beein- flusst.
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Electrical device with ferromagnetic material located in an alternating field The invention relates to electrical arrangements equipped with ferromagnetic material located in an alternating electric field, in particular to chokes, magnetic amplifiers and transformers. These arrangements are well known and widely used.
In many cases, it is desirable to pre-magnetize the ferromagnetic material located in the area of the electrical alternating field and magnetized by this magnetization, or to change its magnetization independently of the alternating field.
It is also known to magnetize ferromagnetic materials using a constant electric field. If, for example, in the case of a choke, a coil through which alternating current flows and, preferably at another point of the iron core, a coil through which direct current flows around a ring-shaped or rectangular iron core, the direct current field acts as a pre-magnetization of the choke.
At the same time, however, in the coils through which direct current flows, due to the penetration of the coils. Magnetic alternating flux induces electrical voltages that can be of the order of a few 1000 volts. These high induced voltages lead to considerable insulation difficulties. For premagnetized chokes, therefore, not only one alternating current and one direct current coil, but one alternating current coil and two direct current coils or vice versa or even two alternating current and two direct current coils are used.
These coils are connected to one another in such a way that the voltages induced in the direct current coils cancel each other out at least in part. Usually, chokes with three coils. the coils placed on the legs of a three-legged rectangular iron core, with either the two direct current or the two alternating current coils encompassing the outer legs ..
These arrangements for premagnetized chokes therefore require a certain amount of material. As a result of the space required by the number of coils and the legs of the iron core, there is also a relatively large scatter and thus a loss of scatter that cannot be neglected.
For the stepless regulation of the current intensity of transformers, magnetizable shunts, preferably laminated sheet metal bodies, are known to be attached so that the secondary coil of the transformer can be penetrated by a more or less large induction flux. The usual designs of such shunts, in which the air gap between them and the iron cores of the transformer is changed, require complicated guide mechanisms and have various disadvantages due to the inevitable vibrations caused by the periodically changing forces of the magnetic field.
Even in a much more favorable embodiment, in which the control yokes consist of circular disks with suitably shaped recesses, an axis of rotation is required for the control yokes.
Instead of magnetic shunts, regulating reactors with a continuously variable number of turns or a variable air gap can be used for stepless regulation of the current intensity in transformers. However, they require a material expenditure which results in a considerable increase in price. If pre-magnetized chokes are used, the considerations made above also apply.
According to the invention, the disadvantages shown can be avoided and the devices,
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are simplified by the special arrangement and position of direct and alternating current coils to one another.
The invention relates to an electrical device with a ferromagnetic material located in an alternating electric field and influenced by a coil through which direct current flows, the axis of the direct current coil being essentially perpendicular to the axis of the alternating magnetic field in the ferromagnetic material in order to practically induce an alternating voltage in the direct current coil to prevent.
Examples of the device according to the invention applied to chokes, magnetic amplifiers and transformers are to be explained with reference to the figures: FIG. 1 shows the principle of the invention with reference to a laminated iron core influenced by an alternating field.
Fig. 2 shows in plan view an embodiment which can serve as a throttle or magnetic amplifier.
3 shows an embodiment of a single-phase leakage field transformer. FIG. 4 shows a section in the direction IV-IV of FIG.
Fig. 5 shows an application of the invention to a three-phase control transformer, for example.
In Fig. 1 is a. Part of a laminated sheet metal body 1 is shown in which an alternating magnetic flux moves in the directions a-b. The excitation coil 2 through which direct current flows lies with its axis perpendicular to the aforementioned direction ca-b (axis) of the alternating magnetic flux. When direct current flows through the excitation winding 2, a magnetic field (direct field) is formed in the laminated sheet metal body 1, which runs approximately as the lines labeled 3 indicate.
Through this magnetic flux, the iron core is locally pre-magnetized with respect to the: alternating flux in opposite directions.
In this way, as experience and theoretical considerations show, controllable chokes can be produced by pre-magnetization, which only require an alternating current and a direct current coil, since it is no longer necessary to connect several coils in opposite directions to cancel induced voltages. This results in a saving in material. The space requirement and, as a result, the leakage of the premagnetized chokes according to the invention is significantly less than that of known arrangements.
In general, a right-angled, preferably laminated sheet metal body will be used for a choke as ferromagnetic material, around one leg of which the alternating current coil is placed, while the direct current coil is attached so as to penetrate the other leg twice.
Another embodiment is shown in FIG. 2 in plan view. The ferromagnetic body 4 is preferably composed of circular iron sheets. It is provided with axially parallel bores 5 and 6. A coil 7 and 8 is passed through the radially opposite bores, one coil 7 of which is traversed by direct current and the other, 8, by alternating current.
The iron path, which the alternating flux will take, is locally pre-magnetized by the direct current. With an arrangement of this type, a magnetic amplifier or a premagnetized choke can be built in a very small space. From FIG. 2 it is readily apparent that the x-x axis of the direct current coil 7 is perpendicular to the z-z axis of the alternating current coil 6 or to the z-z axis of the alternating field generated by it.
Fig. 3 shows the application of the invention to a single-phase regulating transformer, for example. The primary coils 9 of the transformer are connected in such a way that the alternating flux runs in one direction and voltages are induced in the secondary coils 10 attached between two primary coils 9. Between the iron cores of the transformer, on both sides of the secondary coils 10, control yokes 11, preferably laminated sheet metal bodies, are firmly attached, which serve as magnetic shunts. They deflect the magnetic flux when the secondary coil 10 is loaded.
As FIG. 4 shows in section, a coil 12 is wrapped in each of these laminated sheet metal bodies 11 in the manner according to the invention, that is to say so that their axes are perpendicular to the axis of the alternating fields in the legs 11. When direct current flows in the coils 12, the sheet metal bodies 11 are premagnetized and the path for the alternating flux in them is blocked depending on the size of the direct current magnetization. When it is completely blocked, the highest current flows in the secondary coils 10. This device according to the invention therefore eliminates all guide mechanisms for the control yokes that require material, space and assembly effort.
In all of the coil arrangements according to the invention, a certain proportion of the alternating flux penetrates the direct current coil, so that a slight induction of an alternating voltage in the direct current winding is possible. However, this influence is comparatively small in comparison with a different arrangement of the coil plane. This influence can be reduced even further by suitably designing the laminated sheet metal body 11, which is larger than the coil winding.
As Fig. 3 shows, z. B. in disc transformers a whole number of direct current pre-magnetized ferromagnetic materials in the form of narrow sheet metal bodies 11 are installed, so that depending on the control range, a larger or smaller pre-magnetization is achieved; the effects of which add up.
According to a further embodiment, a simple single-phase transformer can also consist of a double rectangular iron core, around whose first and second legs the primary
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and secondary windings are applied, and a direct current coil of the type according to the invention is wrapped in the third leg for regulation.
The stepless regulation of the current intensity in three-phase transformers with the aid of a device according to the invention is shown in cross section in FIG. 5, for example. This is a three-phase transformer in which the three legs 13 receiving the alternating current coils 14 are arranged on a circle at a distance of 120 from one another. A fixed litter package 15 made of ferromagnetic material, preferably a laminated iron body, is located within this leg arrangement, for. B. halfway up. The scattering packet has three axial planes of symmetry 0-A, 0-B, 0-C passing through the center of the legs 13. It is penetrated by three direct current coils 16, 17, 18 of the type according to the invention.
The middle winding plane of each of the three direct current coils is preferably in one of the three mentioned planes of symmetry, namely between the leg and the center of the leg arrangement. The flux that pre-magnetizes the iron body as a result of the direct current flow in the coils 16, 17, 18 is indicated (lines with arrow) in the figure. The mode of operation of this embodiment for a three-phase transformer is analogous to that of the single-phase transformer shown in FIGS. 3 and 4. If the direct current coils are not present, the leakage fluxes close in rotation along the dash-dotted axes.
The axes x-x of the direct current coils are also here perpendicular to the axes or main directions 0-A, 0-B, 0-C of the alternating fields. Here, too, the guide mechanisms for rotating the magnetic shunt, which are required in the known arrangements of a similar structure, are again omitted.
When producing the arrangements according to the invention, the direct current coil can of course be wound up through the bores provided for it. However, it is just as easy to assemble the iron core from two parts in such a way that the fully wound coil can be attached between the two parts. In this case, however, it is expedient to ensure that the gap plane in the iron core lies parallel to the alternating magnetic field lines so that the gap does not influence the magnetic field.