Hernmaterial für Magnetisierungskerne, vorzugsweise für Selbstinduktionsspulen zur Belastung von Fernsprechleitungen. Bedeuten R, C und A Widerstand, Ka pazität und Ableitung pro Längeneinheit einer zur Verminderung ihrer spezifischen Dämpfung mit Selbstinduktionsspulen be lasteten Fernsprechleitung, deren Selbst induktivität gegen die der Spulen vernach lässigt werden kann, ferner W und L wirk samen Widerstand und Selbstinduktivität einer Spule, wobei eine Spule auf s Längen einheiten entfällt,
so ist bekanntlich die spe zifische Dämpfung der Fernsprechleitung
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Die durch Vergrösserung von L angestrebte Verkleinerung von ss wird also ausser durch den 2. Summanden der Formel auch dadurch beeinträchtigt, dass zugleich -auch mit der Erhöhung der Selbstinduktivität pro Längen einheit auf den Betrag
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der Widerstand R um den Anteil
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des wirksamen Spulen- widerstanden vergrössert wird. Der wirksame Widerstand der Spulen müsste deshalb mög lichst klein sein.
Da aber bei den bisher zur Spulenberstellung verwendeten Eisensorten mit der Verkleinerung von W das Gewicht und damit die Kosten der Belastung ganz unverhältnismässig ansteigen, hat es sieh als zweckmässig erwiesen, die Spulen möglichst so zu bauen, dass der Betrag von
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je nach dem Wert von R 10 bis etwa 50 /o dieses Wertes nicht übersteigt, wobei die obere, eigentlich zu hohe Grenze, die für Fern sprechleitungen von 3 mm Durchmesser an gewendet wurde, dadurch bedingt war, dass kleinere Werte von W nur durch eine ganz unmässige Vergrösserung des Spulengewichtes zu erreichen gewesen wären.
Die Möglichkeit, den wirksamen Spulen widerstand pro Einheit der Selbstinduktivität bei gleichem oder sogar kleinerem Spulen gewicht kleiner als bisher machen zu können, ist daher besonders für Fernsprechleitungen kleinen Widerstandes von grosser technischer Bedeutung. Die vorliegende Erfindung gibt diese Möglichkeit.
Der wirksame Widerstand der Spulen setzt sich zusammen aus dein mit Gleich strom zu messenden reinen Leitungswider- stand Ws, der Spulenwieklung und aus einem zusätzlichen Betrage -@, der, wenn P3 den spezifischen Wattverlust durch llyster,
ese und Wirbelströme in dem EisEnkern rnit dem Volumen V bedeutet, bei der Effektivstärke i des Wechselstromes definiert ist durch
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Während es verhältnismässig leicht ge lingt, den Leitungswiderstand durch erttspre- chenden Querschnitt des Bewicklungsdrahtes auf einen gewollten niedrigen Wert zu bringen,
wenn dabei auch zur Unterbringung der Wick lung die C@rölie und das Grewicht der Spule zunehmen, stehen hinsichtlich des zusätz lichen Betrages /! der Erreichung des glei chen Ziels erhebliche Schwierigkeiten ent gegen, da hierzu die Auffindung eines ge eigneten Eisenmaterials für die Spulenkerne mit genügend kleinen Verlustkonstanten er forderlich ist.
Der spezifische Wattverlust im Eisen durch Hysterese und Wirbelströme bei der Induktion B und der Periodenzahl v ist näm lich in bekannter Darstellung P.-v, i,Bil,1_v2.y.,B._ wobei B der bei der Wechselstrommagneti- sierung auftretende Maximalwert der Induk tion ist, VJ und<I>x</I> die Materialkonstanten für die Hystereseverluste und y- diejenige für die Wirbelstromverluste bedeuten.
Innerhalb der für den praktischen Spulen bau in Betracht kommenden Grenzen von B kann diese Formel mit grosser Annäherung ersetzt werden durch <I>P</I> = <I>a</I> v ,B"z worin<I>a v</I> und m Materialkonstanten sind, die nur für eine bestimmte Periodenzahl v und für einen bestimmten Grad der Unter teilung des Eisens gelten.
Aus der bekannten Formel für die Selbst induktivität der Spule
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in der N die Windungszahl, q den Eisen querschnitt des Spulenkerns, 1 die mittlere Kraftlinienlänge und < e die Permeabilität des Eiserrs bedeuten, und aus der Formel für den Maximalwert der Induktion im Spulen kern
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folgt durch Eliminierung von N und weil q 1 = V,
dafä
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Bei der EffektivstiLrke i ist also
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Da der Exponent f! der Formel für die Hyster@eseverltrste bei den für Fernsprech- strÖnre in Frage kommenden Frequenzen und schwachen Induktionen, wie unsere Versuche gezeigt haben, Werte zwischen 2,0 bis etwa ,7 besitzt, ist m tets nur etwa 10-17 ;
'., grösser als 2. Für eine starke Verkleinertu;g von d-ch Vergri-,sserung des Eisenvolu mens V rnüfite dieses daher Werte anneh men, die weit über der praktischen Ausführ barkeit liegen. Znr Verkleinerung vorn i muss daher angestrebt werden, dass e:n Eisen- rnaterial mit genügend kleiner Verlustziffer verwendet werden kann.
Auch durch Verringerung der Pereabilitätss des Eisenmaterials wird, wie die Formel zeigt, der Wert vorn i verkleinert; gleich zeitig muss dann aber, damit die Selbst induktivität der Spule nicht kleiner wird, entweder die Windungszahl der Bewicklung und damit der Leitungswiderstand Wgl, oder, bei dessen Konstanthaltung, wegen des dann anzuwendenden dickeren Bewicklungs- drahtes, das Spulengewicht erhöht werden.
Für die Permeabilität besteht daher ein günstigster Weg, bei dein für gegebene Zeit- konstante
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das Spulengewicht ein Minimum wird.
Die Variierung von lc bei festgehaltener Verlustziffer ergibt, dass dieses Optimum des Permeabilitätswertes bei kleinen Zeitkon stanten (etwa bis 0,025 Sekunden) ein nur wenig ausgeprägtes ist, mit wachsender Zeit konstante aber innerhalb eines zunehmend enger werdenden Bereiches liegt. Für ein Eisen mit geringer Verlustziffer ergibt sich, dass die Grenzen dieses Bereiches für die im praktischen Spulenbau vorkommenden Selbst induktivitätswerte von etwa 0,10 bis 0,25 Henry bis zu einer Zeitkonstanten von etwa 0;04 Sekunden ungefähr bei den Werten von 80 und 150, für höhere Werte der Zeitkon stanten bei etwa 80 und 110 liegen.
Bei den sehr kleinen magnetischen Feldstärken in den Spulenkernen handelt es sich dabei stets um die sogenannteAnfangspermeabilitätdesMaterials.
Unsere Versuche waren deshalb darauf gerichtet, ein Material zu finden, das bei möglichster Unterschreitung der bisher für die Verlustziffer av erhaltenen Werte gleich zeitig mit Anfangspermeabilitäten in den an gegebenen Grenzen hergestellt werden kann. Als Ergebnis dieser Versuche wurde ein' Material gefunden, das aus einer Legierung möglichst von Kohlenstoff und sonstigen Ver unreinigungen freien Eisens mit Nickel besteht.
Eisen-Nickel-Legierungen sind bei einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2 bis<B>0,670</B> als Nickelstähle in der Technik wohl be kannt. Sie weisen aber ganz erhebliche Hy- stereseverluste auf.
Durch Erniedrigung des Kohlenstoffgehaltes auf etwa 0,09 bis 0,06 % besitzt dagegen der Nickelzusatz, wie unsere Versuche gezeigt haben, die Eigenschaft, die Hystereseverluste des Eisens bedeutend her abzusetzen, ohne gleichzeitig (wie dies zum Beispiel bei den als Transformator- und Dynamoblechen bekannten Eisen-Silizium- legierungen der Fall ist) die Anfangspermea- bilität zu erhöhen.
Diese kann vielmehr durch Erhöhung des Nickelzusatzes beliebig herab gedrückt und daher innerhalb der oben an gegebenen Grenzen variiert werden. Da durch den Nickelzusatz auch die Leitfähigkeit des Eisens erheblich verschlechtert wird, sinken auch die Wirbelstromverluste.
Als Ausführungsbeispiel - sei ein von uns hergestelltes Nickeleisen erwähnt, das aus praktisch reinem Eisen von ungefähr 0,08 % C, 0,020/, Si, 0,20/0 Mtlt 0,02% P und 0,02% S mit ungefähr 8"/o Nickelzusatz besteht.
Die Verlustziffer <I>a v</I> dieser Legierung ist bei gleicher Periodenzahl und gleicher Unterteilung kleiner als 1/s derjenigen von unlegiertem Eisen. Die Anfangspermeabilität beträgt ungefähr 135.
Mit .Kernen aus dieses Legierung hergestellte Selbstinduktionsspulen, die bei 800 Perioden und 0,5 Milliampere Belastungsstrom eine Selbstinduktivität von 0,15 Henry und eine Zeitkonstante von 0,04 Sekunden aufweisen, wiegen nur etwa 3,5 kg, w iihrend ausgeführte Selbstinduktionsspulen mit gleichen elektrischen Konstanten, deren Kerne aus unlegiertem Stahldraht mit un- gefähr 0,15% bestehen, 10;5 kg wiegen.
Wie das Material zum Aufbau der 11I' ag- netisierungskerne unterteilt wird; d. b. ob es in Scheiben-, Band-, Draht- oder Pulverform zur Anwendung kommt, ist für die Erfin dung unwesentlich. Das Material kann mit gleichen Vorteilen wie für Belastungsspulen für alle Magnetisierungskerne verwendet werden, in denen nur schwache magneti sierende Kräfte auftreten und bei denen es darauf ankommt, bei geringstem Gewicht möglichst hohe Zeitkonstante, d. h. möglichst kleine Verluste zu erreichen.