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.
Core material for magnetization cores, preferably for self-induction coils for loading telephone lines. R, C and A mean resistance, capacitance and derivative per unit length of a telephone line loaded with self-induction coils to reduce its specific attenuation, the self-inductance of which can be neglected compared to that of the coils, and W and L mean the effective resistance and self-inductance of a coil, where one coil is required for s length units,
as is well known, the specific attenuation of the telephone line
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The reduction of ss aimed for by increasing L is therefore not only affected by the 2nd summand of the formula, but also by the fact that at the same time - also with the increase in the self-inductance per unit length to the amount
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the resistance R by the proportion
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the effective coil resistance is increased. The effective resistance of the coils should therefore be as small as possible.
However, since the weight and thus the costs of the load increase quite disproportionately with the iron types previously used for coil production with the reduction of W, it has proven expedient to build the coils as far as possible so that the amount of
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depending on the value of R does not exceed 10 to about 50 / o of this value, the upper limit, actually too high, which was used for telephone lines with a diameter of 3 mm, was due to the fact that smaller values of W were only due to a a very immense increase in the weight of the bobbin would have been achieved.
The possibility of being able to make the effective coil resistance per unit of self-inductance with the same or even smaller coil weight less than before is therefore of great technical importance, especially for telephone lines of low resistance. The present invention enables this.
The effective resistance of the coils is made up of the pure line resistance Ws to be measured with direct current, the coil weight and an additional amount - @, which, if P3 is the specific watt loss through llyster,
es and eddy currents in the iron core with the volume V means, for which the effective strength i of the alternating current is defined by
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While it is relatively easy to bring the line resistance to a desired low value by using the appropriate cross-section of the winding wire,
if the C @ rölie and the gray weight of the bobbin also increase to accommodate the winding, the additional amount /! the achievement of the same goal ent against considerable difficulties, since it is necessary to find a suitable iron material for the coil cores with sufficiently small loss constants.
The specific watt loss in iron due to hysteresis and eddy currents during induction B and the number of periods v is namely in the known representation P.-v, i, Bil, 1_v2.y., B._ where B is the maximum value occurring during AC magnetization the induction is, VJ and <I> x </I> mean the material constants for the hysteresis losses and y- mean that for the eddy current losses.
Within the limits of B that are considered for practical coil construction, this formula can be replaced as closely as possible by <I> P </I> = <I> a </I> v, B "z where <I> av < / I> and m are material constants that only apply for a certain number of periods v and for a certain degree of subdivision of the iron.
From the known formula for the self-inductance of the coil
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where N is the number of turns, q is the iron cross-section of the coil core, 1 is the mean line of force length and <e is the permeability of the iron, and from the formula for the maximum value of the induction in the coil core
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follows by eliminating N and because q 1 = V,
dafä
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With the effective strength i is
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Since the exponent f! the formula for the hysteresis residuals at the frequencies and weak inductions in question for telephone lines, as our experiments have shown, has values between 2.0 to about .7, is always only about 10-17;
'., greater than 2. For a strong reduction of the d-ch increase in the iron volume, this should therefore assume values that are far beyond practical feasibility. In order to reduce the front i, the aim must be that e: n ferrous material can be used with a sufficiently small loss factor.
As the formula shows, the value in front of i is also reduced by reducing the permeability of the iron material; At the same time, however, so that the self-inductance of the coil does not decrease, either the number of turns of the winding and thus the line resistance Wgl or, if it is kept constant, the coil weight must be increased because of the thicker winding wire then to be used.
There is therefore a most favorable way for the permeability, with your for a given time constant
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the spool weight becomes a minimum.
The variation of lc with a fixed loss figure shows that this optimum of the permeability value is only slightly pronounced with small time constants (approximately up to 0.025 seconds), but is constant with increasing time but within an increasingly narrower range. For an iron with a low loss factor, the limits of this range for the self-inductance values that occur in practical coil construction are from about 0.10 to 0.25 henry up to a time constant of about 0.04 seconds approximately at the values of 80 and 150 , for higher values of the time constants are around 80 and 110.
The very small magnetic field strengths in the coil cores are always the so-called initial permeability of the material.
Our attempts were therefore aimed at finding a material that can be produced at the same time as initial permeabilities within the specified limits if the values obtained so far for the loss factor av are as little as possible. As a result of these experiments, a 'material was found which consists of an alloy of carbon and other impurities free iron with nickel.
Iron-nickel alloys with a carbon content of about 0.2 to 0.670 are well known in technology as nickel steels. However, they show very considerable losses of hysteresis.
By lowering the carbon content to about 0.09 to 0.06%, on the other hand, as our experiments have shown, the addition of nickel has the property of significantly lowering the hysteresis losses of iron without at the same time (as is the case, for example, with transformer and dynamo sheets known iron-silicon alloys is the case) to increase the initial permeability.
Rather, this can be suppressed as desired by increasing the addition of nickel and therefore varied within the limits given above. Since the addition of nickel also significantly worsens the conductivity of the iron, the eddy current losses also decrease.
As an exemplary embodiment - a nickel iron manufactured by us should be mentioned, which is made from practically pure iron of approximately 0.08% C, 0.020 /, Si, 0.20 / 0 Mtlt 0.02% P and 0.02% S with approximately 8 " / o there is added nickel.
The loss factor <I> a v </I> of this alloy is less than 1 / s that of unalloyed iron with the same number of periods and the same subdivision. The initial permeability is approximately 135.
With cores made of this alloy, self-induction coils, which have a self-inductance of 0.15 henry and a time constant of 0.04 seconds at 800 periods and 0.5 milliamperes load current, weigh only about 3.5 kg, while self-induction coils carried out with the same electrical constants whose cores are made of unalloyed steel wire with a weight of about 0.15% weigh 10; 5 kg.
How the material to build the 11I 'agnetization cores is divided; d. b. whether it is used in disc, tape, wire or powder form is immaterial to the invention. The material can be used with the same advantages as for load coils for all magnetization cores in which only weak magnetizing forces occur and where it is important to have the highest possible time constant with the lowest possible weight, i.e. H. to achieve the smallest possible losses.