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Abgleichbarer Schalenkern für Hochfrequenzspulen Die Erfindung betrifft
einen abgleichbaren Schalenkern aus Ferrit für Hochfrequenzspulen mit einem bewegbaren
zylindrischen Butzen, der durch ein Loch im Boden der ersten Kernschale in axialer
Richtung derart verschiebbar ist, daß seine eine Stirnfläche mit dem Boden bzw.
dem festen Butzen der zweiten Kernschale einen veränderlichen Luftspalt bildet.
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Ein wichtiges Problem bei derartigen Schalenkernen ist es, einen möglichst
linearen Abgleich, also eine möglichst gleichmäßige Änderung der Induktivität über
dem gesamten Abgleichbereich zu erzielen.
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Bekannte derartige Anordnungen erfüllen diese Forderung in nicht ausreichender
Weise.
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So ist z. B. durch die deutsche Auslegeschrift 1005
207 eine Magnetkreisanordnung bekanntgeworden, bei der ein bewegbarer zylindrischer
Butzen durch ein Loch im Boden der Deckplatte in axialer Richtung derart verschiebbar
ist, daß seine Stirnfläche mit der Bodenplatte bzw. dem festen Butzen der Bodenplatte
einen veränderlichen Luftspalt bildet. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht
darin, daß sich die Abgleichwirkung auf das schmale Gebiet des Butzenluftspaltes
beschränkt. Deshalb ergibt sich im ersten Bereich der Abgleichbewegung eine ungünstig
steile Abgleichkurve, d. h., die Induktivität ändert sich zuerst sehr schnell und
dann sehr langsam.
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Dasselbe gilt für den aus der Zeitschrift »Funkschau, H. 9, 1950,
S. 146 in Bild 1. links unten, bekannten Rahmenkern.
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Auch weitere bekannte abgleichbäre Magnetkreise, Wie z. B. aus der,
deutschen Patentschrift 728 481, dem deutschen Gebruchsmuster 1769 914, der
deutschen Patentschrift 687 054 und der deutschen Patentschrift 893 384 bekannte
Anordnungen, sind mit diesem Nachteil behaftet oder zur Lösung vorliegender Problemstellung
nicht geeignet, da sie sich schon konstruktiv wesentlich von der eingangs genannten
Anordnung unterscheiden.
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Aus dem Aufsatz »Ferrite Core Inductors« in der Zeitschrift »The Bell
System Technical Journal« (März 1953) ist auf Seite 287 in den Zeilen 4 bis 6 ausgeführt,
daß die Abgleicheharakteristik dadurch linearisiert werden kann, daß man in Reihe
zum ersten Luftspalt einen zweiten anordnet, der öffnet, wenn der erste schließt.
Die in F i g. 12a (Seite 288) gezeigte prinzipielle Anordnung führt aber zu fertigungstechnisch
großen Schwierigkeiten, da sie eine sehr große Präzision bei der Bearbeitung der
gegenüberstehenden kegelförmigen Luftspaltflächen verlangt; ein ungleichmäßiger
Luftspalt führt nämlich zu großen Hystereseverlusten an den Stellen hoher magnetischer
Induktion. Bei der in F i g. 4 (Seite 276) dargestellten abgleichbaren Ferritspule
wird ein anderes Abgleichprinzip angewandt; es werden variable Luftspaltflächen
und zwei parallelgeschaltete Luftspalte verwendet (Seite 289, 2. Absatz). Ihre Nachteile
sind: großes Einbauvolumen durch den aufgesetzten Stutzen, kleiner, stark nichtlinearer
Abgleichbereich, große magnetische Induktion durch Querschnittsverengungen im Butzen
und damit vergrößerte Hystereseverluste.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abgleichbaren Schalenkern
zu schaffen, dessen Abgleichbereich relativ groß ist und der dabei dennoch eine
möglichst gleichmäßige Induktivitätsänderung innerhalb des Abgleichbereiches aufweist,
ohne daß dabei die Spulengüte wesentlich verschlechtert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der abgleichbare Schalenkern derart
ausgebildet, däß die Mantelfläche des bewegbaren Butzens mit dem Böden der ersten
Kernschale einen annähernd konstanten ringförmigen Luftspalt bildet, durch den zwei
Isolierstoffhülsen hindurchragen, derart, daß der bewegbare Butzen in der inneren
ersten, mit einem Außengewinde versehenen Isolierstoffhülse befestigt ist und in
der äußeren zweiten, mit einem Innengewinde versehenen Isolierstoffhülse läuft,
die mit Hilfe eines Flansches an der ersten Kernschale befestigt ist.
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Durch die Erfindung läßt sich - wie im folgenden gezeigt wird -eine
Induktivitätsänderung bis zu 70 °/o bei einer günstigen Steilheit der Abgleichkurve
erreichen, ohne daß sich die Spulenverluste gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich
erhöhen. Diese Verbesserung beruht auf zwei Maßnahmen: dem bewegbaren Butzen und
dem zweiten ringförmigen Luftspalt. Der bewegbare Butzen bewirkt dadurch, daß über
ihn der gesamte Fluß führt, eine Vergrößerung des Abgleichbereiches gegenüber einem
dünnen, im Butzenloch bewegbaren Abgleichstift, über den nur ein Teil des magnetischen
Flusses verläuft. Da die Abgleichwirkung aber auf das schmale Gebiet des
Butzenluftspaltes
beschränkt bleibt, würde sich in einem ersten Bereich =der Abgleichbewegung eine
ungünstig steile Abgleichkurve ergeben, d. h., die Induktivität würde sich zuerst
sehr schnell und dann sehr langsam ändern. Dies wird durch den vorgeschalteten ringförmigen
Luftspalt vermieden, der die Steilheil der Abgleichkurve. im- ersten Teil der Abgleichbewegung
wesentlich verringert. -Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind im Schalenkern
zwei gleiche bewegbare, zylindrische Butzen vorgesehen, die jeweils durch ein Loch
im Boden der beiden Kernschalen in axialer Richtung so gegeneinander verschiebbar
sind, daß ihre einander zugewandten - Stirnflächen .einen -veränderlichen Luft-.
_ spalt und ihre Mantelflächen mit dem Boden der sie umgebenden Kernschalen einen
annähernd konstanten ringförmigen Luftspalt bilden.
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Durch die beiden bewegbaren Butzen wird erreicht, daß der veränderliche
Luftspalt immer symmetrisch zur Wicklung liegt, was besonders -dann` wichtig ist,*
wenn ein symmetrischer Wicklungsaufbau gefordert ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 einen bekannten Schalenkern
mit einem dünnen Abgleichstift, F i g. 2 einen Schalenkern gemäß der Erfindung mit-
einem- bewegbaren Butzen, F i g. 3 einen Schalenkern gemäß der Erfindung mit zwei
bewegbaren Butzen, F i,g. 4 die prozentuale Induktivitätsänderung -als Funktion
des Abgleichweges, F i- g. 5 Gütekurven als Funktion der Frequenz. Bei dem in F
i g. 1 im Schnitt dargestellten bekannten Schalenkern sind. die beiden Kernschalen
mit 1 und 2 bezeichnet. Ein dünner Abgleichstift 5 wird durch ein axiales Butzenloch
in den Luftspalt s1 zwischen den beiden Butzen 3 und 4 eingeführt.
Der Abgleichstift 5 ist von einer mit einem Außengewinde versehenen Isolierstoffhülse
6 umgeben und läuft in einer zweiten Isolierstoffhülse 7 mit Innengewinde, die an
der Kernschale 1 befestigt ist. Zwischen dem Abgleichstift 5 und der Butzenlochwand
besteht ein zweiter Luftspalt-s2, der in der gezeichneten Lage des Abgleichstiftes
in den beiden Butzen 3 und 4 wirksam ist. Die beiden Luftspaltstrecken s1
und s2 sind bei dieser Konstruktion parallel geschaltet. Die Nachteile dieser =bekannten
Abgleichmethode sind eingangs ausführlich geschildert.
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Einen Schalenkern - gemäß der Erfindung zeigt F i g. 2. Der Butzen
8 ist durch ein Loch im Boden der Kernschale 1 axial bewegbar; er ist in einer Hülse
6 mit Außengewinde befestigt und diese bewegt sich in einer mit einem Innengewinde
versehenen Hülse 7, die mit Hilfe eines Flansches an der Kernschale 1 festgeklebt
ist. Die Hülsen 6 und 7 bestehen aus Kunststoff oder einem keramischen Material
und sind so ausgeführt, daB kein Gewindespiel auftritt. Dies kann beispielsweise
bei Verwendung eines federnden Materials durch einen Schlitz in der äußeren Führungshülse
7 erreicht werden. Mit Vorteil wird die Hülse 7 mit dem Spulenkörper-zu einem einzigen
Konstruktionsteil vereinigt, indem z. B. die aus einem thermoplastischen Kunststoff
bestehenden -Teile nach dem Zusammenfügen miteinander verschweißt werden. Die Kraftlinien
müssen wiederum zwei Luftspaltstrecken durchlaufen: -den veränderlichen Luftspalt
s3 zwischen der Stirnfläche des bewegbaren Butzens 8 und dem Boden der Kernschale
2 und den annähernd konstan= ten ringförmigen Luftspalt s4 zwischen der Mantelfläche
des Butzens 8 und der Lochwand der Kernschale 1. Während aber die beiden Luftspaltstrecken
s1 und s2 bei der Konstruktion nach F i- g. 1 parallel liegen, sind bei dem Schalenkern
gemäß der Erfindung die Luftspaltstrecken s3 und s4 in Reihe geschaltet.
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Der in F i g. 2 dargestellte Schalenkern aus Ferrit wird vorzugsweise
bei Frequenzen oberhalb von etwa 4 MHz verwendet. Bei tieferen Frequenzen enthält
die Kernschale 2 mit besonderem Vorteil einen kleinen festen Butzenansatz
4, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist, aber ohne Butzenloch. Dies hat folgenden
Grund: Bei tieferen Frequenzen liegt die für größte. Spulengüte erforderliche Permeabilität
höher als bei hohen Frequenzen, und dementsprechend kommt man mit einem kleineren
Luftspalt s3 aus. Durch den festen Butzenansätz kann der bewegbare Abgleichbutzen
8 kürzer gehalten werden; der Abgleichweg bleibt kürzer, und man spart. dadurch
bei der Konstruktion an Bauhöhe; außerdem wird das Außenfeld verringert, weil der
bewegbare Butzen weniger aus der Kernschale herausragt.
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F- i g. 3 zeigt einen Schalenkern mit zwei gleichen bewegbaren Butzen
8 und 8', die mit Hilfe der Hülsen 6- und 7 bzw. 6' und 7'. gegeneinander
in axialer Richtung verschiebbar sind. Dadurch liegt - wie schon erwähnt - der veränderliche
Luftspalt s3 immer symmetrisch zur Wicklung.
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Der technische Fortschritt des neuen Abgleichverfahrens geht aus den
Abgleich- und Gütekurven der F i g. 4 und 5 hervor. In F i g. 4 ist die prozentuale
Induktivitätsänderung als Funktion der Umdrehungen U des Abgleichkerns
aufgetragen, und zwar gilt die gestrichelte Kurve 1 für das bekannte und
die ausgezogene Kurve 2 für das neue Abgleichverfahren. Die Punkte a und
b entsprechen jeweils dem Zustand »ohne Abgleichkern« und »Abgleichkern voll
eingedreht«.
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F i g. 5 zeigt die Spulengüte
abhängig von der Frequenz f bei Verwendung von Ferritkernen mit der alten (gestrichelte
Kurven 1) und der neuen (ausgezogene Kurven 2) Abgleichkonstruktion. Auch hier bedeutet
der Buchstabe a »ohne Abgleichkern« und der Buchstabe b »Abgleichkern voll eingeschraubt«.
Wie aus den Kurven zu ersehen ist, bleibt die Spulengüte im wesentlichen erhalten.