CH98415A - Core material for magnetization cores, preferably for self-induction coils for loading telephone lines. - Google Patents

Core material for magnetization cores, preferably for self-induction coils for loading telephone lines.

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CH98415A
CH98415A CH98415DA CH98415A CH 98415 A CH98415 A CH 98415A CH 98415D A CH98415D A CH 98415DA CH 98415 A CH98415 A CH 98415A
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CH
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self
iron
telephone lines
induction coils
core material
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German (de)
Inventor
Actien-Gesellschaft Carlswerk
Original Assignee
Felten & Guilleaume Carlswerk
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Description

  

      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  
EMI0001.0006     
    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
EMI0001.0010  
   der Widerstand R  um den Anteil
EMI0001.0011  
   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
EMI0001.0013  
   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  
EMI0002.0022     
    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  
EMI0002.0052     
    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  
EMI0002.0061     
    folgt durch Eliminierung von N und weil       q    1 = V,

       dafä     
EMI0002.0064     
    Bei der     EffektivstiLrke    i ist also  
EMI0002.0066     
    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
EMI0003.0001  
   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
EMI0001.0006
    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
EMI0001.0010
   the resistance R by the proportion
EMI0001.0011
   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
EMI0001.0013
   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
EMI0002.0022
    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
EMI0002.0052
    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
EMI0002.0061
    follows by eliminating N and because q 1 = V,

       dafä
EMI0002.0064
    With the effective strength i is
EMI0002.0066
    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
EMI0003.0001
   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.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Kernmaterial für Magnetisierungskerne, vorzugsweise für Selbstinduktionsspulen zur Belastung für Fernsprechleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Legierung eines nur etwa 0,06 bis 0,09,% Kohlenstoff enthaltenden und von sonstigen Verunreini gungen praktisch freien Eisens mit Nickel besteht. Claim: core material for magnetization cores, preferably for self-induction coils for loading telephone lines, characterized in that it consists of an alloy of an iron containing only about 0.06 to 0.09% carbon and practically free of other impurities with nickel.
CH98415D 1920-06-24 1921-06-09 Core material for magnetization cores, preferably for self-induction coils for loading telephone lines. CH98415A (en)

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