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Die
Erfindung betrifft eine Induktivität und eine Anordnung.
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Es
ist bekannt, Induktivitäten
mit Kapazitäten zu
einer Resonanzschaltung zu verbinden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit Induktivitäten weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Induktivität
nach den in Anspruch 1 und bei der Anordnung nach den in Anspruch
9 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Induktivität sind, dass sie eine Hauptwicklung
umfasst, die um zumindest einen Schenkel eines Kerns herum ausgeführt ist,
wobei
die Hauptwicklung mit Wechselstrom beaufschlagt ist,
wobei
eine Steuerwicklung auf zumindest einem Schenkel des Kerns vorgesehen
ist, die mit unipolarem Strom beaufschlagt ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass der Wert der Induktivität auf einen gewünschten
Sollwert hin veränderbar
und abstimmbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuerwicklung zumindest
zwei Teilwicklungen auf, deren Wicklungssinn derart ausgeführt ist,
- – dass
die Richtung des im vom ersten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten
Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung
bei Beaufschlagung positivem Strom erzeugten Flusses in diesem Bereich
entspricht,
- – und
dass die Richtung des im vom zweiten Teilbereich der Steuerwicklung
umfassten Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung
bei Beaufschlagung mit negativem Strom erzeugten Flusses in diesem
zweiten Bereich, insbesondere also im vom zweiten Teilbereich der
Steuerwicklung umfassten Bereich, entspricht.
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Von
Vorteil ist dabei, dass die induzierte Spannung gering bleibt und
trotzdem ein Feld erzeugbar ist, das den Kern der Hauptspule magnetisiert,
insbesondere als Gleichfeld, also konstantes Feld.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerwicklung derart
ausgeführt,
dass jeweils abwechselnd nach Ausführung einer ersten Anzahl von Windungen
eines Teilbereiches eine entsprechende Anzahl von Windungen des
anderen Teilbereichs ausgeführt
ist, insbesondere wobei die Anzahl einen Wert zwischen 1 und 10
annimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die in den ersten Windungen
induzierte Spannung gering bleibt und somit auch die Isolierung nur
gegen geringe Spannungen ausgeführt
werden muss.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Versorgungswicklung auf
zumindest einem Schenkel des Kerns vorgesehen, mit der Mittel zur
Erzeugung des unipolaren Stroms verbunden sind, insbesondere wobei
die Mittel aus der induzierter Spannung, insbesondere also Sekundärspannung,
der Versorgungswicklung versorgt sind. Von Vorteil ist dabei, dass
die Versorgung der Steuerspule dezentral ermöglicht ist. Es muss also keine
Versorgungsleitung zusätzlich
zum Primärleiter
verlegt werden sondern es genügt
die Verlegung des Primärleiters,
aus dem die Steuerspule induktiv über die Versorgungsspule versorgbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Mittel zur Erzeugung
des unipolaren Stroms eine steuerbare Anordnung, wie DC/DC-Wandler, Leistungsschalter
und/oder steuerbarer Widerstand. Von Vorteil ist dabei, dass der
Wert des Stromes in der Steuerspule stellbar ist, also steuerbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kern einen Luftspalt
S auf, welcher im von der Hauptwicklung erzeugten Hauptfluss durchdrungen wird,
wobei die von den jeweiligen Teilwicklungen erzeugte Flüsse im Wesentlichen
durch Bereiche des Kerns ohne Luftspalt geleitet sind. Von Vorteil
ist dabei, dass ein nur geringer Steuerstrom notwendig ist, mit
dem die Sättigung
desjenigen Bereiches ermöglicht
ist, der vom Hauptfluss der Teilwicklungen durchdrungen wird. Der
Luftspalt ist nur in demjenigen Bereich des Kerns angeordnet, der
vom Hauptfluss der Hauptwicklung im wesentlichen ausschließlich durchdrungen
wird, wodurch die Steilheit der Magnetisierungskennlinie für die Hauptwicklung
verminderbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Steuersignale zur Ansteuerung
berührungslos und/oder
galvanisch getrennt übertragen.
Von Vorteil ist dabei, dass kein zusätzlicher Aufwand für galvanische
Trennung betrieben werden muss. Außerdem ist es einfach ermöglicht,
dass die mit der Steuerspule verbundene Steuerelektronik auf verschiedenem Potential
arbeitet.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel als Steuerglied
einer Regelschaltung vorgesehen und mit dieser verbunden. Von Vorteil
ist dabei, dass der Wert des Steuerstromes regelbar ist, insbesondere
also auf einen Sollwert hin.
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Wichtige
Merkmale bei der Anordnung sind, dass sie zur berührungslosen
Energieübertragung vorgesehen
ist, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein langgestreckt ausgeführtes Primärleitersystem eingespeist
wird,
wobei Verbraucher aus einer mit dem Primärleitersystem
induktiv gekoppelt vorgesehenen Sekundärspule versorgt sind,
wobei
der Sekundärspule
eine derartige Kapazität
in Reihe oder parallel zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz
im Wesentlichen der Mittelfrequenz, insbesondere zwischen 10 und
500 kHz, des Stromes entspricht,
wobei eine steuerbare Induktivität vorgesehen
ist
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Von
Vorteil ist dabei, dass ein auf Resonanz angelegter Schaltungsteil,
wie beispielsweise ein Resonanzschwingkreis, eine Gyratoranordnung,
oder auch ein Transformator auf einen gewünschten Wert hin regelbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität die Sekundärspule.
Von Vorteil ist dabei, dass auch bei einem Vierpol wie Trafo oder
dergleichen die Induktivität
steuerbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität in einer
Gyratoranordnung vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass die
Gyratoranordnung auf den gewünschten
Soll-Frequenzverlauf
hin einstellbar ist
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität derart
mit der Induktivität
des Primärleitersystem
verbunden ist und eine derartige Kapazität mit dem Primärleitersystem
in Wirkverbindung ist, dass die zugehörige resultierende Resonanzfrequenz
auf die Mittelfrequenz abstimmbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass
der Wirkungsgrad optimierbar ist und alterungs-, witterungs- oder
temperaturbedingte Veränderungen
ausgleichbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kapazität in einer
das Primärleitersystem
direkt oder über
einen Transformator speisenden Gyratoranordnung angeordnet und/oder
die Kapazität
ist in Reihe oder parallel beschaltet zur mit der Induktivität des Primärleitersystem
verbundenen Induktivität
vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Abstimmung des Primärleitersystems
ebenfalls mittels der steuerbaren Induktivität ausführbar ist. Hierbei wird die steuerbare
Induktivität
in Reihe geschaltet zum Primärleiter,
also zur Induktivität
des Primärleiters.
Die zur Erreichung der Resonanz vorgesehene Kapazität ist innerhalb
der Gyratoranordnung vorgesehen, aus der das Primärleitersystem über einen
Transformator hinweg versorgt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Reglerschaltung vorgesehen,
deren Eingang mit einem Mittel zur Erfassung der relativen Phasenlage zwischen
einer Spannung und einem Strom vorgesehen ist, insbesondere wobei
der Strom der Primärstrom
ist, und deren Ausgang mit der steuerbaren Induktivität als Stellglied
verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine automatische Regelung
vorsehbar ist, die auch bei Veränderung
von physikalischen Parametern den Wert der Resonanzfrequenz nachführt, indem
sie die steuerbare Induktivität
auf den gewünschten
Wert hin regelt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- ansteuerbarer
Schaltglied
- 2
- erster
E-förmiger
Kern
- 3
- zweiter
E-förmiger
Kern
- L
- Induktivität der Hauptwicklung
- L2
- Induktivität der Steuerwicklung
- L3
- Induktivität der Versorgungswicklung
- E1,
A1
- Anschlüsse der
Hauptwicklung
- E2,
A2
- Anschlüsse der
Steuerwicklung
- E3,
A3
- Anschlüsse der
Versorgungswicklung
- S
- Luftspalt
- SW
- Schalterstellung
- R
- Widerstandswert
- δ
- Tastgrad,
Tastverhältnis
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist der schematische Schaltplan eines ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
gezeigt. In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
gezeigt, wobei statt des Schaltgliedes 1 ein steuerbarer
Widerstand verwendet ist. In der 3 ist ein
anderes Ausführungsbeispiel
gezeigt, wobei statt des Schaltgliedes 1 der 1 ein DC/DC-Wandler
gezeigt ist. In der 4 ist eine Induktivität mit zwei
zueinander zugewandten E-förmigem
Kernen gezeigt, wobei Wicklungen symbolisch angedeutet sind.
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In
der 1 ist die Hauptwicklung mit der Induktivität L dargestellt
mit den Anschlüssen
E1 und A1. Induktiv gekoppelt, also beispielsweise auf den Kern
der Hauptwicklung gewickelt, sind die Steuerwicklung L2 mit den
Anschlüssen
E2 und A2 und die Versorgungswicklung L3 mit den Anschlüssen E3 und
A3 vorgesehen. Dabei wird die Wicklung der Hauptwicklung L mit einem
Wechselstrom gespeist, wodurch an der induktiv gekoppelten
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Versorgungswicklung
eine Spannung bereit stellbar ist, die einem Gleichrichter zugeführt wird. Die
gleichgerichtete Spannung ist optional mit einem Kondensator glättbar und
wird dann einem Schaltglied 1 zugeführt, wobei dieses getaktet
betrieben wird, beispielsweise pulsweitenmoduliert. Hierbei wird
in jeder Taktperiode für
einen ersten Zeitabschnitt ein vom Schaltglied umfasster Schalter,
beispielsweise ein steuerbarer Leistungshalbleiterschalter, geschlossen
und in einem nachfolgenden Zeitabschnitt geöffnet. Auf diese Weise ist
der durch die Steuerwicklung L2 fließende Strom steuerbar. Im zeitlichen
Mittel fließt
also ein Gleichstrom durch die Steuerwicklung L2, wodurch somit
der Kern der Hauptwicklung eine entsprechende Magnetisierung erfährt. Hierbei
ist wichtig, dass die Magnetisierung des Kerns keine lineare Funktion
des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes ist sondern bei größeren Stromwerten
sogar in ein Sättigungsverhalten übergeht.
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Auf
diese Weise ist also die effektive Induktivität L der Hauptwicklung veränderbar
abhängig
vom in die Steuerwicklung eingeprägten Strom. Mittels der Versorgungswicklung
ist somit eine von weiteren elektronischen Schaltungen galvanisch
getrennte Versorgung ermöglicht,
die auch räumlich
weit entfernt einsetzbar ist ohne hierzu notwendige Versorgungskabel.
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Die
Steuersignale für
das Schaltglied 1 sind berührungslos und sogar galvanisch
getrennt übertragbar.
Beispielsweise ist hierzu ein Optokoppler am Schaltglied 1 vorgesehen,
das mit einer in der Figur nicht gezeigten zentralen Steuerung in
Wirkverbindung ist. Alternativ ist auch ein auf den Primärleiter aufmodulierter
hochfrequenter Stromanteil zur Übertragung
der Steuersignale für
das Schaltglied verwendbar. Die zugehörige Frequenz ist größer als
die Mittelfrequenz des in den Primärleiter eingespeisten Stromes,
also des für
die Leistungsversorgung wesentlichen Stromanteils. Mittels der Versorgungsspule
ist auch der hochfrequente Stromanteil detektierbar und somit im
Schaltglied abkoppelbar vom Versorgungsstromanteil.
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Anstatt
der genannten Steuersignale sind in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch
nur Informationen übertragbar,
wobei dann im Schaltglied eine elektronische Schaltung zur Erzeugung
der Steuersignale umfasst ist.
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Als
Material zur Herstellung des Kerns eigenen sich Ferrit-Materialien
oder auch andere ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Materialien.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist bei einem System zur berührungslosen
Energieübertragung
verwendbar, bei dem ein langgestreckt verlegter Primärleiter
vorgesehen ist, in den ein mittelfrequenter Stromeingeprägt wird,
insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz. Der entlang dem
Primärleiter
bewegbare Verbraucher weist eine Sekundärspule auf, die induktiv mit
dem Primärleiter gekoppelt
ist und der eine derartige Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet
ist, so dass die zugehörige
Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.
Hierbei ist die Hauptwicklung der erfindungsgemäßen Anordnung als Sekundärwicklung
verwendbar und mittels des Stromes in der Steuerwicklung die Induktivität veränderbar,
also die Resonanzfrequenz auf die Mittelfrequenz hin regelbar oder
abstimmbar. Mittels der resonanten Übertragung sind aus der Sekundärwicklung
versorgte Verbraucher mit einem nur geringfügig schwankenden Wirkungsgrad
versorgbar bei schwankendem Abstand zwischen Primärleiter
und Sekundärspule.
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Des
Weiteren wird zur Erzeugung des mittelfrequenten Stromes für den Primärleiter
ein Umrichter verwendet, dessen Endstufe aus einer unipolaren Spannung,
der sogenannten Zwischenkreisspannung, versorgt wird, die von einem
netzgespeisten Gleichrichter erzeugt wird. Die Endstufe umfasst hierbei
Halbbrücken,
welche jeweils zwei in Reihe geschaltete pulsweitenmoduliert angesteuerte
Leistungshalbleiterschalter umfassen. Auf diese Weise ist eine mittelfrequente
Spannung erzeugbar, die zur Speisung einer Gyratoranordnung verwendet
ist. Mittels der Gyratoranordnung wird aus der mittels der Endstufe
realisierten Spannungsquelle eine mittelfrequente Stromquelle hergestellt,
die zur Speisung einer Primärleiterschleife
vorgesehen ist, wobei die Primärleiterschleife
den Primärleiter
umfasst.
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Als
Gyratoranordnung wird ein Vierpol verwendet, der mindestens eine
Induktivität
und mindestens eine Kapazität
umfasst, wobei die Werte dieser Größen derart gewählt sind,
dass die zugehörige
Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz im Wesentlichen entspricht.
Hierzu ist als Induktivität
wiederum eine erfindungsgemäße Anordnung
verwendbar, so dass die Induktivität auf den optimalen Wert abstimmbar oder
darauf hin regelbar ist.
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Vorteiligerweise
sind somit alterungs-, feuchtigkeits-, witterungs-, temperaturbedingte
oder anderweitig bedingte Abweichungen oder Drifte der Werte ausgleichbar
und/oder nachregelbar.
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Zwischen
dem Ausgang des Gyrators und der Primärleiterschleife ist ein Transformator
anordenbar, der zur Anpassung der Induktivität verwendbar ist. Auch für dessen
Induktivitäten
ist die erfindungsgemäße Anordnung
einsetzbar, um diese abstimmbar auszuführen.
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Dem
langgestreckt verlegten Primärleiter
ist insgesamt eine Kapazität
in Reihe beschaltet, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz auf die
Mittelfrequenz abzustimmen ist. Bei räumlich weit ausgedehnten Anlagen
ist es hierbei vorteilhaft, den Primärleiter in Abschnitte aufzuteilen
und jedem Abschnitt eine Teilkapazität zuzuordnen. Zusätzlich ist zur
Abstimmung auch eine Induktivität
zuordenbar, beispielsweise in Reihe, wobei diese als erfindungsgemäße Anordnung
ausführbar
ist und somit eine Abstimmung auf die Resonanzfrequenz ermöglicht ist.
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Die
genannten Komponenten sind also mit erfindungsgemäß steuerbaren
Induktivitäten
ausstattbar und somit abstimmbar auf die gewünschten Sollwerte.
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In
der 2 ist statt des steuerbaren Schaltgliedes 1 ein
steuerbarer Widerstand R vorgesehen, der somit den Wert der Hauptinduktivität bestimmt. Die
Funktionsweise ist der 1 entsprechend ausgeführt.
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In
der 3 ist statt des steuerbaren Schaltgliedes 1 der 1 ein
steuerbarer DC/DC-Wandler vorgesehen.
Die Funktionsweise ist der 1 entsprechend
ausgeführt.
Der Tastgrad oder das Tastverhältnis δ bestimmen
somit die Induktivität.
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In
der 4 ist eine beispielhafte Ausführung der steuerbaren Hauptinduktivität erfindungsgemäßen Anordnung
gezeigt. Hierbei ist die Hauptwicklung L um den ersten E-förmigen Kern 2 gewickelt und
weist die Anschlüsse
E1 und A1 auf. Der zum Schließen
des aus dem ersten E-förmigen
Kern austretenden Magnetflusses vorgesehene zweite E-förmige Kern
weist um seinen Mittelschenkel die Versorgungswicklung L3 auf, wobei
die Anschlüsse
mit E3 und A3 bezeichnet sind. Die Steuerwicklung L2 ist in zwei
Teilwicklungen ausgeführt,
wobei die erste Teilwicklung im rechten Hauptschenkel und die zweite Teilwicklung
im linken Hauptschenkel vorgesehen ist. Die Wicklungssinne der beiden
Teilwicklungen sind gegenläufig
ausgeführt.
Der von der Hauptwicklung L erzeugte Fluss geht vom Hauptschenkel
des ersten E-förmigen
Kerns 2 in den Hauptschenkel des zweiten E-förmigen Kerns 3 über und
teilt sich dann in zwei Hälften
auf, wobei die erste im ersten Hauptschenkel und die zweite Hälfte im
zweiten Hauptschenkel fließt.
Somit wird das von der ersten Teilwicklung der Steuerwicklung L2
erzeugte Feld im ersten Hauptschenkel auf den von der Hauptwicklung erzeugten
Flussanteil aufaddiert und das von der zweiten Teilwicklung der
Steuerwicklung L2 erzeugte Feld im zweiten Hauptschenkel auf den
von der Hauptwicklung erzeugten Flussanteil subtrahiert. Auf diese
Weise ist eine Steuerung der Induktivität für die positive Halbwelle des
in der Hauptwicklung L vorgesehenen Wechselstromes in gleicher Weise
wie für die
negative Halbwelle ausführbar.
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Weiterer
Vorteil ist bei der geschilderten Ausführung der Teilwicklung, dass
die vom in die Hauptwicklung eingespeisten Wechselstrom in die Steuerwicklung
induzierte Spannung im Wesentlichen verschwindet. Vorzugsweise wird
die Wicklung der Steuerwicklung derart ausgeführt, dass nach einer ersten Windung
der ersten Teilwicklung die erste Windung der zweiten Teilwicklung
mit dem obenbeschriebenen Wicklungssinn ausgeführt wird. Danach wird wiederum
eine Windung der ersten Teilwicklung ausgeführt und durch weiteres Abwechseln
des Ausführens
einer Windung der jeweiligen Teilwicklung fortgefahren.
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Um
den Fertigungsaufwand und die Wicklungslänge zu verringern, ist es auch
vorteilig, statt in der geschilderten Weise in abwechselnder Reihenfolge
nur eine Windung jeder Teilwicklung auszuführen, mehrere Windungen der
jeweiligen Teilwicklung auszuführen.
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Auch
auf diese Weise ist die an der Steuerwicklung insgesamt auftretende
induzierte Spannung reduzierbar.
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Vorzugsweise
sind die E-förmigen
Kerne rotationssymmetrisch um ihren Mittelschenkel herum ausgeführt und
weisen somit den in der 4 gezeigten E-förmigen Querschnitt
auf.
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Wichtig
ist bei der 4 auch, dass der Mittelschenkel
einen Spalt, also einen Luftabstand umfasst. Vorteiligerweise sind
die Hauptschenkel ohne Luftspalt ausgeführt und somit eine möglichst
kleine Steuerleistung notwendig. In den von der Steuerwicklung erzeugten
hauptsächlichen
Feldlinien ist also kein Luftspalt vorhanden und somit nur ein kleiner
Steuerstrom notwendig, also auch nur eine kleine Steuerleistung.
Schon der kleine Strom hat also eine große Wirkung.
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Anstatt
einer Versorgungsspule ist auch eine Gleichstromversorgung von einer
nicht gezeigten zusätzlichen
Versorgungsschaltung ausführbar.