DE1007394B - Spulensystem mit wenigstens einer Hochfrequenzspule mit vormagnetisiertem Stabkern - Google Patents

Description

• Spulensystem mit wenigstens einer Hochfrequenzspule mit vormagnetisiertem Stabkern Die Erfindung bezieht sich auf ein Spulensystem mit wenigstens einer Hochfrequenzspule mit einem im wesentlichen stab- oder rohrförmigen ferromagnetischen Kern, dessen Permeabilität mittels Vormagnetisierung dadurch einstellbar ist, daß in der Nähe von wenigstens einem der Enden des Spulenkerns ein Permanentmagnet verschiebbar angeordnet ist, der aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringen Hystereseverlusten besteht, im wesentlichen rohr- oder ringförmig ist und wenigstens in bestimmten Stellungen einen Teil des Spulenkerns und dessen Verlängerung umfaßt.
• Spulensysteme mit einer Hochfrequenzspule und einem ferromagnetischen Kern, dessen Permeabilität durch einen in der Nähe des Kernes verschiebbar angeordneten Permanentmagneten einstellbar ist, sind bekannt. Hierbei ist aber der Permanentmagnet als Vollkörper ausgebildet, so daß der Verschiebungsbereich des Permanentmagneten beschränkt ist. Ferner ist eine Magnetkreisanordnung bekannt, bei der die Pole eines die Permeabilität eines Massekernes beeinflussenden Elektromagneten die über die Spulenwicklung hinausragenden Enden des Kernes umgreifen; mit dieser Maßnahme soll ein größeres Variationsverhältnis der Induktivitätsänderung erzielt werden. Eine räumliche Verstellung des Magneten findet hierbei also nicht statt.
• Es hat sich nun bei Spulensystemen eingangs erwähnter Art überraschenderweise herausgestellt, daß beim Heranbringen des Permanentmagneten an die Spule die Spuleninduktivität ein Minimum durchläuft und anschließend wieder ansteigt. Diese Tatsache erschwert einen genauen Induktivitätsabgleich sehr und macht ihn oft sogar unmöglich. Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil und schafft ein Spulensystem, dessen Induktivität einwandfrei abgleichbar ist, dadurch, daß der Verschiebungsbereich des Magneten derart gewählt ist, daß beim Verschieben innerhalb dieses Bereichs in einer Richtung die Spuleninduktivität sich stets im gleichen Sinne ändert. Hiermit ist also ein Spulensystem geschaffen, bei dem zur Vergrößerung des Abgleichbereiches der Permanentmagnet den ferromagnetischen Kern auf seinem Verschiebeweg zumindest teilweise umfaßt, wobei aber nur ein bestimmter Teil des Verschiebeweges ausgenutzt wird.
• Es sei noch erwähnt, daß Permanentmagneten aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und verhältnismäßig geringen Hystereseverlusten bereits, z. B. unter der Bezeichnung »Vectoliteu, bekannt sind.
• Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• In Fig. 1 ist ein Spulensystem gemäß der Erfindung dargestellt.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsformen einer Spule, die in einem Spulensystem gemäß der Erfindung Anwendung finden kann. Die Fig. 2 und 6 beziehen sich auf die Wirkung dieser Spulen.
• Fig. 5 stellt ein Bandfilter mit einem erfindungsgemäß gebauten Spulensystem dar.
• Die in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzspule hat einen stabförmigen Kern 1 aus ferromagnetischem Material, auf den eine Wicklung 3 aufgebracht ist. Die Wicklung 3 ist z. B. mit Hilfe von Wachs oder Lack im Innern einer isolierenden, mit Innengewinde versehenen Hülse 5 befestigt. In der Hülse 5 ist ein rohrförmiger, in axialer Richtung magnetisierter Dauermagnet 7 schraubbar befestigt, der sich auf den Kern 1 aufschieben läßt und eine einstellbare Magnetisierung des Kernes 1 bewirkt.
• Um Verluste in dem im Hochfrequenzfeld der Spule 3 befindlichen Magneten 7 zu verhindern, besitzt dieser eine geringe elektrische Leitfähigkeit (einen spezifischen Widerstand von wenigstens 10 Ohm; cm) und geringe Hystereseverluste. Er besteht z. B. aus einem bekannten keramischen Werkstoff, der im wesentlichen aus nicht kubischen Kristallen von Polyoxyden von Eisen und einem der Metalle Barium, Strontium, Blei und gegebenenfalls Calcium zusammengesetzt ist. Der Kern 1 besteht vorzugsweise aus kubischem Mischkristallmaterial von Oxyden von Eisen und wenigstens zwei weiteren Metallen, das bei geringen Verlusten und hoher Permeabilität (etwa 400) eine verhältnismäßig geringe Sättigung hat; derartige Werkstoffe sind z. B. als Ferrite bekannt. Fig. 2 zeigt die Induktivität L der vorstehend beschriebenen Spule als Funktion der Entfernung a zwischen der Spulenwicklung 3 und dem Magneten 7. Die Länge b des aus der Wicklung 3 herausragenden Teils des Kerns 1, der sich in den Magneten 7 einschieben läßt, betrug 6 mm, die Länge c des Magneten 10 mm und die der '\'6Ticklung gleichfalls 10 mm. Die Dicke des Kerns 1 war 1,6 mm.
• Aus dieser graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß beim Aufliegen des Magneten 7 auf der Wicklung 3 - bei dem eine starke Sättigung des Kerns 1 zu erwarten wäre - die Induktivität L einen verhältnismäßig hohen Wert hat und beim Entfernen des Magneten 7 von der Wicklung 3 anfangs abnimmt. Bei einer Entfernung a von etwa 2,5 mm ist ein Minimum P erreicht, worauf die Induktivität wieder bis zu einem Punkt S zunimmt, bei dem sie nur etwas über dem Wert liegt, der ohne Vormagnetisierung auftritt.
• Dieses Verhalten läßt sich durch die Annahme erklären, daß bei einer Entfernung a zwischen 0 und 2,5 mm der Magnet 7 durch den Kern 1 mehr oder weniger »kurzgeschlossen« und damit das äußere Magnetfeld beträchtlich geschwächt wird.
• Jenseits des Punktes P tritt diese Wirkung augenscheinlich nicht oder nur in geringem Maße auf, und die Induktivität nimmt mit der Entfernung a zu.
• Sowohl der Bereich OP' als auch der Bereich P' S' (P' und S' sind die Abszissen der Punkte P und S) sind zum Einstellen der Induktivität der Spule verwendbar, da beim Verschieben des Magneten innerhalb dieser Grenzen in einer definierten Richtung die Induktivität sich auch stets in demselben Sinne ändert, d. h. entweder zu- oder abnimmt. Unbrauchbar ist jedoch z. B. das ganze Gebiet O S' als solches. Das Gebiet P' S' ergibt die größte Änderung; bei der vorstehend beschriebenen Spule konnte hier eine etwa 46°/oige Induktivitätsänderung erreicht werden.
• Wenn das Gebiet P' S' benutzt wird, kann der aus der Spulenwicklung 3 herausragende Teil b des Kerns 1 erheblich kürzer sein als der Magnet 7. Der Magnet 7 braucht hierbei nur auf einem Teil seiner Länge durchbohrt zu sein.
• Eine weitere Möglichkeit stellt Fig. 3 dar, bei der die Spulenwicklung 11 einlagig gewickelt ist und der Magnet 13 eine verhältnismäßig geräumige Bohrung hat, so daß er über der Wicklung 11 verschoben werden kann.
• Die oben beschriebene Kurzschlußwirkung bleibt völlig aus, wenn der Magnet 19 (Fig. 4) radial magnetisiert ist, d. h. so, daß sich an der Innenwand der Bohrung beispielsweise der Südpol Z und an der zylindrischen Außenfläche des Magneten der Nordpol N befindet.
• Die beschriebenen Bauarten ermöglichen es, sehr kleine und billige Spulen von ausreichender Spulengüte Q - °'L (a) = Kreisfrequenz, y = Verlustwiderstand) r herzustellen. Letzteres ist größtenteils auf das unmittelbare Aufwickeln der Spule auf den Kern, also ohne jeden Zwischenraum, zurückzuführen, wodurch die hohe Permeabilität des Kerns am besten ausgenutzt wird. Das Aufwickeln unmittelbar auf den Kern wird einerseits durch den hohen elektrischen Widerstand des Kernmaterials ermöglicht, wodurch sich die Verwendung eines besonderen Spulenkörpers erübrigt, und andererseits durch die Tatsache, daß die Induktivität geregelt wird, ohne den Kern gegenüber seiner Wicklung zu verschieben.
• In Fig. 2 stellt die Kurve 21 den Verlauf der Spulengüte Q als Funktion der Regelung (Abstand a) dar; wie aus dieser Kurve ersichtlich ist, ändert sich die Güte Q bei der Regelung nur wenig. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Bauarten - bei denen also der Kern gegenüber der Wicklung nicht verschiebbar ist - ist der, daß die Spulenwicklung samt Kern in eine dünne feuchtigkeitsdichte Hülle, z. B. aus Kunstpreßstoff, eingeschlossen werden kann.
• Fig.5 zeigt ein Zwischenfrequenzbandfilter mit zwei übereinstimmenden Spulen mit je einem Kern 1 und einer Wicklung 3 der vorstehend beschriebenen Bauart. Die zugehörigen Magneten 23 sind in Schraubenbolzen 25 beispielsweise aus Nylon befestigt. Jede Wicklung 3 ist von einer Vielzahl von Stäben 27 aus dem gleichen Material wie die Kerne 1 umgeben, die als ferromagnetischer Abschirmmantel für die Spulen dienen.
• Einer dieser Stäbe 27 ist zwischen den beiden Spulen angeordnet und bildet dort eine Abschirmung, wodurch die Kopplung der Spulen auf das gewünschte niedrige Maß herabgesetzt wird. Dieser Stab wird von einem dritten rohrförmigen Magneten 29 vormagnetisiert, der an einem isolierenden Schraubenbolzen 31 befestigt ist. Mit Hilfe dieses Bolzens kann die - durch die Vormagnetisierung bedingte - Permeabilität des mittleren Stabes 27 und somit die Kopplung der beiden Spulen 1 und 3 eingestellt werden. Alle Elemente des Bandfilters sind in passenden Aussparungen zweier zusammenpassender, übereinstimmender Formstücke 33 aus Kunstharz gebettet bzw. gelagert, die sich in der Ebene der Zeichnung (ein Formstück 33 ist sichtbar in Fig. 5) aneinander anschließen und von einem passenden metallenen Abschirmgehäuse 35 zusammengehalten werden. An jedem der Formstücke 33 ist eine Anzahl von Lötösen 37 befestigt, die aus dem Abschirmgehäuse 35 herausragen.
• Aus der Fig. 5 ist die Wichtigkeit der Verwendung von Magneten aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ersichtlich.
• Infolge dieser Eigenschaft der Magneten 23 können diese nämlich sehr nahe bei den zugeordneten Kernen 1 und Wicklungen 3 angeordnet sein, ohne daß nennenswerte Verluste auftreten, so daß die Felder dieser Magneten nur die zugeordneten Kerne beeinflussen und z. B. die benachbarten Stäbe 1 und 27 praktisch nicht, obwohl diese mit Rücksicht auf die erwähnten geringen Abmessungen nahe bei den Spulenwicklungen und also auch bei den Magneten angeordnet sind.
• Es ist deshalb sehr wichtig, daß die Hystereseverluste im Material des Magneten niedrig sind. Demgemäß ist es erwünscht, daß dieses Material einer bestimmten Bedingung gerecht wird, die an Hand der Fig. 6 erläutert wird.
• Diese Figur zeigt einen Teil der Magnetisierungskurve (B-H-Kurve) eines üblichen Magnetstahls (Kurve I) und jener eines bekannten keramischen, permanentmagnetischen Materials, das zur Verwendung in einem Spulensystem gemäß der Erfindung gut geeignet ist (Kurve II). Die Schnittpunkte Brl und B" mit der Ordinate sind die zugehörigen Werte der remanenten Induktion und die Schnittpunkte BH" und BH" mit der Abszisse die Werte der Koerzitivkräfte.
• Wird ein schwaches Wechselfeld dem permanenten Feld des Stahlmagneten überlagert, so ändert sich dessen Feld z. B. gemäß der Schleife 41 in Fig. 6; der Flächeninhalt dieser Schleife ist ein Maß für die Hystereseverluste. Bei der Kurve II ist die entsprechende Schleife nahezu zu einer Linie 43 zusammengeschrumpft, die sich mit der Kurve II deckt; die Hystereseverluste sind also sehr gering.
• Die Form der Hysteresescbleife und die damit einhergehende Größe der Hystereseverluste erweist sich als durch das Verhältnis B, : BH, bedingt. Die Verluste erweisen sich als hinreichend niedrig, wenn das Verhältnis B, : BH, kleiner ist als 4. Bei keramischen permanentmagnetischen Materialien läßt sich ein Wert dieses Verhältnisses von nahezu 1 erreichen, während der elektrische Widerstand hoch sein kann. Solches Material eignet sich also besonders gut zur Verwendung bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Spulensystem mit wenigstens einer Hochfrequenzspule mit einem im wesentlichen Stab- oder rohrförmigen ferromagnetischen Kern, dessen Permeabilität mittels Vormagnetisierung dadurch einstellbar ist, daß in der Nähe von wenigstens einem der Enden des Spulenkerns ein Permanentmagnet verschiebbar angeordnet ist, der aus einem Werkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringen Hystereseverlusten besteht, im wesentlichen rohr-oder ringförmig ist und wenigstens in bestimmten Stellungen einen Teil des Spulenkerns und dessen Verlängerung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebungsbereich des Magneten derart gewählt ist, daß beim Verschieben innerhalb dieses Bereichs in einer Richtung die Spuleninduktivität sich stets im gleichen Sinne ändert.
2. 2. Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet durch eine Schraub-, bewegung angenähert in Richtung seiner Achse verschiebbar ist.
3. 3. Spulensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ende des Kernes aus der Spulenwicklung hervorragt und vom Magneten umfaßt wird, wobei der hervorragende Teil des Kerns kürzer ist als der Magnet.
4. 4. Spulensystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet radial magnetisiert ist.
5. 5. Spulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zwei Spulen, zwischen denen ein stabförmiges ferromagnetisches Abschirmelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln der Kopplung der beiden Spulen in der Nähe eines der Enden des stabförmigen Abschirmelementes ein rohrförmiger Permanentmagnet verschiebbar angeordnet ist, der wenigstens in bestimmten Stellungen das Element und dessen Verlängerung umfaßt.
6. 6. Spulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern aus an sich bekannten kubischen ferromagnetischen Mischkristallen von Oxyden des Eisens und wenigstens zweier anderer Metalle besteht.
7. 7. Spulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetwerkstoff im wesentlichen aus nicht kubischen Kristallen von Polyoxyden des Eisens und eines der Metalle Barium, Strontium, Blei und gegebenenfalls Calcium besteht. B. Spulensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der remanenten Induktion B,. des Magnetwerkstoffes und der Koerzitivkraft BH, kleiner als 4 ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 723 872; schweizerische Patentschriften Nr. 219 510, 245 236; USA.-Patentschrift Nr. 2 503 155; »Electronics«, Juni 1948, S. 122-123; »Philips Techn. Rundschau«, Dezember 1946, S. 353-384; »Archiv für das Eisenhüttenwesen«, H. 9/10, 1949, S.303/04. Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsches Patent Nr. 923 858.