DE1487563B2

DE1487563B2 - Elektrisch steuerbare Induktoranordnung·

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Publication number: DE1487563B2
Application number: DE19661487563
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-05-14
Filing date: 1966-05-07
Publication date: 1970-09-10
Also published as: US3403323A; LU51091A1; BE681018A; NL6606454A; JPS45030868B1; DE1487563A1; SE345770B; CH506866A; GB1153901A; AT284280B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch wird beispielsweise in den Anordnungen gemäß der

steuerbare Induktoranordnung. deutschen Patentschrift 1 263 852 und der USA.-

Der im deutschen Sprachgebrauch übliche Aus- Patentschrift 3 087 108 angewandt. Es versteht sich, druck »Induktivität« ist doppeldeutig, da mit ihm daß man das oben erwähnte Prinzip zur Untereinmal die Schaltungsgröße, zum andern das Bau- 5 drückung einer induktiven Kopplung zwischen element bezeichnet wird. Hier und im folgenden soll Primär- bzw. Sekundär- und Steuerspule auch hier in Anlehnung an den englischen Sprachgebrauch mit anwenden kann; in den beiden genannten Veröffent- »Induktor« das Bauelement mit »Induktanz« die lichungen erfolgt das analog zu der deutschen Aus-Schaltungsgröße bezeichnet werden. Ein elektrisch legeschrift 1 059 964 ebenfalls dadurch, daß man die steuerbarer Induktor ist mithin ein Bauelement, io Flüsse die gemeinsamen Kernzonen orthogonal dessen Induktivität elektrisch veränderbar ist. durchsetzen läßt.

Elektrisch steuerbare Induktoranordnungen zur Eine weitere bekannte Anordnung wurde durch Steuerung der kontinuierlichen Übertragung elek- die USA.-Patentschrift 2987 667 bekannt .Auch hier trischer Energie sind bekannt; in weitem Umfang sind senkrecht zueinander gerichtete Magnetfelder, werden Magnetverstärker und sättigbare Transforma- 15 erzeugt durch zwei Spulen, vorgesehen. Das Kerntoren eingesetzt. Sie alle weisen .einen Kern aus material wird im wesentlichen bis in den Sättigungsferromagnetischem Material auf, eine erste um den bereich magnetisiert, um die Verluste klein zu halten; Kern gewickelte Spule und eine zweite um den Kern die ganze Anordnung soll als Gegeninduktivität Eingewickelte Spule. Oft sind noch mehr Spulen vor- satz finden. Wirksam wird dabei das Kreuzprodukt handen, und die Kerne können ein-, zwei- oder mehr- 20 der aufeinander senkrecht stehenden Flußdichteteilig sein. Eine der Spulen dient der Energieüber- vektoren.

tragung und ist an einen Wechselstrompfad ge- Die vorliegende Erfindung geht von einer Induktorschaltet; an ihren Klemmen erscheint die Induktanz, anordnung gemäß der deutschen Auslegeschrift welche durch Beaufschlagung der anderen Spule mit 1 059 964 aus, die einen Kern aus ferromagnetischem elektrischer Steuerleistung veränderbar ist. Diese 25 Material umfaßt mit einer ersten um den Kern geBeeinflussung erfolgt ganz allgemein dadurch, daß wickelten Spule, die an eine Wechselsstromquelle die Reduktanz des Kerns in Bereichen, die von den angeschlossen ist, und einer zweiten um den Kern Flußlinien des vom Stromfluß in der gesteuerten gewickelten Spule, die an eine Gleich- oder Wechsel-Spule erzeugten Magnetfeldes durchsetzt werden, Stromquelle angeschlossen und von der ersten Spule, mittels der Steuerleistung verändert wird. 30 magnetisch entkoppelt auf dem Kern angeordnet ist,

Notwendigerweise durchsetzt sowohl der Magnet- von welchen Spulen eine zur Steuerung der Energiefluß, der mit der gesteuerten Spule verknüpft ist, als Übertragung über die andere mittels Beeinflussung auch derjenige, der mit der steuernden Spule ver- der Reluktanz von beiden Spulen zugeordneten Kernknüpft ist, denselben Kern oder mindestens dieselben zonen dient.

Teilzonen des Kerns, weil anders eine Steuerung 35 Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch nicht möglich wäre. Der sich ändernde Fluß, der steuerbare Induktoranordnung des genannten Typs mit der Wechselstrom führenden Spule verknüpft ist, zu schaffen, der im wesentlichen »linear« steuerbar induziert dann in der steuernden Spule ebenfalls eine ist in dem Sinne, daß Verzerrungen in der Wellen-Wechselspannung, wenn man nicht dafür sorgt, daß form des gesteuerten Stromes infolge Eisensättigung eine solche störende Induktion unterbleibt oder korn- 40 vermieden sind. Dieser Nachteil ist den bekannten pensiert wird. Bei älteren Ausführungsformen hat steuerbaren Induktoranordnungen eigentümlich, wie man durch Aufbringen von gegensinnig gewickelten sich leicht nachweisen läßt.

Steuerspulen die in ihnen induzierten Spannungen Selbst bei Verwendung der besten Kernmaterialien

gegeneinander gerichtet und damit die resultierende ist jeder Vergrößerung der magnetischen Feldstärke

induzierte Wechselspannung auf ein Minimum herab- 45 über die Sättigungsfeldstärke hinaus nur noch eine

gesetzt. lineare, kleine Zunahme der Flußdichte (Sättigungs-

In der deutschen Auslegeschrift 1 059 964 ist ein flußdichte) zugeordnet, d. h., bei Feldstärken bzw. anderer Weg beschrieben: Die beiden Spulen sind Flußdichten über diese Werte hinaus erfolgt keine dort mit dem Kern so verknüpft, daß die Flüsse stets Steuerung mehr. Sowohl die Ströme in der Steuersenkrecht zueinander orientiert sind, so daß keine 50 wicklung als auch die in der gesteuerten Wicklung induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen tragen bei den bekannten Anordnungen — etwa nach vorliegt; mit anderen Worten, die Spulen sind magne- der deutschen Auslegeschrift 1059 964 — zu einer tisch voneinander entkoppelt auf dem Kern ange- Vergrößerung der magnetischen Feldstärke bei mit ordnet. dem Ergebnis, daß bei Erreichen der Sättigung Ver-

Bei anderen bekannten Anordnungen wird die 55 Zerrungen eintreten oder aber einem zunehmenden induktive oder transformatorische Energieüber- gesteuerten Strom ein abnehmender Steuerstrom tragung von einer Primär- auf eine Sekundärspule gegenüberstehen muß. Damit aber wird der Ausdadurch gesteuert, daß dem von der Primärspule Steuerbereich herabgesetzt, oder aber man muß den erzeugten Magnetfeld weitere Kernabschnitte zur Kern um so größer — voluminöser — ausbilden, Verfügung gestellt sind, deren Reluktanz durch den 60 je höher der zu steuernde Strom wird. Anders ausvon einer dritten, mit diesen Kernabschnitten ver- gedrückt: Bei solchen Anordnungen bedeutet die knüpften Spule erzeugten Steuerfluß veränderbar ist. magnetische Sättigung des Kerns zugleich, daß keine Der von der Primärspule erzeugte Fluß wird also Steuerung mehr erfolgt, während beim Durchlaufen zu einem mehr oder weniger großen Anteil die der Hysteresekurve die Steuerung wieder einsetzt, Sekundärspule durchsetzen je nach dem magne- 65 woaraus die Verzerrungen resultieren. Ein Bautischen Widerstand, der in den Ausweich-Kern- element, das dieser Beschränkung nicht unterliegt, abschnitten vorliegt. ist bisher nicht bekanngeworden.

Dieses Prinzip der »Flußverteilungssteuerung« Diese Aufgabe wird jedoch gemäß der Erfindung

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dadurch gelöst, daß der Kern zwei Jochteile und umdreht, während die Richtung des vom Gleichstrom vier die beiden Jochteile magnetisch koppelnde erzeugten Flußanteils konstant bleibt, ist es nötr Kemzonen aufweist und daß die Spulen so auf dem wendig, um einen Kern zu erhalten mit mindestens Kern angeordnet sind, daß die durch die Ströme in einem Abschnitt, in dem jederzeit die GleichstromdenSpulen gleichzeitig erzeugten Flüsse in einem 5 flußkomponente und die Wechselstromflußkompo-Kernzonenpaar sich additiv und im andern Kern- nente entgegengerichtet sind, den Kern mit vier zonenpaar subtraktiv überlagern. Abschnitten auszustatten, in denen sowohl die Die überraschende Wirkung, die mit dem Erfin- Wechselstrom- als auch die Gleichstromflußkompor dungsgegenstand erzielbar ist, läßt sich am besten nente auftreten, sowie mit zwei End- oder- Verbinder Fig. 6,der Zeichnungen entnehmen, auf die hier io dungsabschnitten für die magnetische Kopplung der im Vorgriff hingewiesen, ,werden soll. Man erkennt, gemeinsamen Abschnitte. Der Einfachheit halber daß mit der Erhöhuqg des Steuerstroms die Induk- sollen im folgenden die gemeinsamen, Abschnitte als tanz der gesteuerten Spule sich verringert, wobei'* ν.,■ Joche bezeichnet werden, obwohl dabei zu beachten jedoch die bisher unvermeidlichen Verzerrungen ist, daß es nicht notwendig ist, eine Konstruktion infolge Sättigung nicht eintreten; die theoretischen 15 vorzusehen, in der tatsächlich strukturell identifizier-Erörterungen, warum dies der Fall ist, werden weiter bare Joche vorhanden sind. Durch zweckentsprechenr unten ausführlicher dargelegt. Man erkennt auch, des Aufbringen eines Spulenpaares auf solch einen daß die Kurvenform für die erste Ableitung der Kern kann erreicht werden, daß eine Gleichström-Induktanz nach dem Steuerstrom eine Gerade ergibt, flußkomponente einem Pfad durch die Joche .1.und 2 so daß man die Steuerung in diesem Sinne als 20 folgt sowie durch die Joche 3 und 4 und eine »linear« bezeichnen kann. Diese Wirkungen treten Wechselstromflußkomponente einem Pfad'durch die ein, weil die Magnetflüsse in zwei der Kernzonen Joche 1 und 4 sowie die Joche 2 und 3 folgt. Natureinander additiv überlagern, in den beiden andern lieh wechselt die Wechselstromflußkomponente nach . jedoch substraktiv, wobei aber gleichwohl — wie jeder halben Periode ihre Richtung. Diese Verhält bei den eingangs erörterten bekannten Anordnun- 25 nisse werden im einzelnen im Zusammenhang mit gen — eine magnetische Entkopplung der beiden den Figuren beschrieben werden. : . ■ ; Spulen vorliegt. Zwar werden während jeder halben Periode Auf Grund dieser besonderen Eigenschaften der Wechselstrom- und Gleichstromflußkompohenten in Induktoranordnung gemäß der Erfindung bietet sich jedem Joch existieren und werden gegeneinander für sie ein weites Anwendungsfeld. Sie wird eingesetzt 3° gerichtet sein in einem ersten Paar diagonaler Joche in Anordnungen zur Spannungsregelung, zur Phasen- und sich addieren in einem anderen Paar diagonaler konversion, zur Übertragung großer Leistungen von Joche. Beispielsweise mögen während der ersten der steuernden Spule auf die gesteuerte Spule trotz Richtung der Wechselstromflußkomponente die Joche der Entkopplung und für eine ganze Reihe weiterer 1 und 3 die Wechselstrom- und Gleichstromfluß-Anwendungszwecke. Ein erheblicher Fortschritt läßt 35 anteile in einander entgegengesetzten Richtungen sich bezüglich des für die Übertragung einer ge- führen, während die Joche 2 und 4 diese Flußanteile gebenen Leistung erforderlichen Eisenvolumens er- in additivem Verhältnis führen. Man erkennt demzielen, weil in denjenigen Kernzonen, in denen die gemäß, daß jedes der beiden Joche in jedem der subtraktive Überlagerung der Flüsse erfolgt, eine Pfade des Wechselstromflusses auf einem anderen Erhöhung der gesteuerten Leistung nicht mit einer 4P Punkt der Magnetisierungskennlinie des Kernmate-Erhöhung der steuernden Leistung kollidiert, wobei rials sich befindet. Das Joch, in dem die beiden aber die Kernzonen mit additiver Überlagerung ohne Flußkomponenten sich addieren (das additive Joch), weiteres in die Sättigung magnetisiert werden können; wird sich relativ weit auf der Magnetisierurigskurve sie nehmen dann an der Steuerung teil in dem Sinne, befinden und infolgedessen eine niedrigere Permedaß ihre Sättigung keine Verzerrung einführt, wohl 45 abilität und eine höhere Reluktanz aufweisen, wähaber zur Herabsetzung der Gesamtinduktanz (ent- rend das Joch, in dem die Flußkomponenten einander sprechend einer Erhöhung der Gesamtreluktanz) entgegengerichtet sind (das Gegen- oder oppositive führt. Insgesamt verbindet die Induktoranordnung Joch), eine höhere Permeabilität und eine niedrigere gemäß der Erfindung die Vorteile entkoppelter Reluktanz aufweisen wird. Die Ausdrücke »höher« Spulen mit dem Vorteil, der aus gegeneinander- 50 und »vergrößert« sowie »niedriger« und »verringert«, gerichteten Flüssen in Teilen des Kerns resultiert; wie sie in dieser Erfindung gebracht werden, sofern er ist einfacher aufgebaut, kleiner und leichter als sie auf die Ausdrücke Permeabilität und Reluktanz die bisher benutzten Anordnungen. bezogen sind, sind natürlich relativ zu der Permea-Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungs- bilität und Reluktanz des Kerns zu verstehen, wenn gemäß eingesetzte Kernform gemäß der britischen 55 nur der größere Fluß vorhanden ist, oder, anders Patentschrift 960 260 an sich bekannt ist als Speicher- ausgedrückt, »niedrigere« oder »verringerte« Relukelement, bei dem das Kernmaterial in zwei stabile tanz bedeutet: die Reluktanz 4st näher der Nenn-Magnetisierungszustände gebracht wird, die später reluktanz des Kernmaterials, und »höhere« oder bei der »Ablesung« feststellbar sind. Gegenüber »vergrößerte« Reluktanz bedeutet: die Reluktanz ist dieser schaltermäßigen Arbeitsweise arbeitet die 60 weiter von der Nennreluktanz.
Induktoranordnung gemäß der Erfindung kontinu- Da der vollständige von der Arbeitswicklung umierlich. schlossene magnetische Kreis ein additives Joch und Es soll nun die Arbeitsweise einer erfindungs- ein oppositives Joch einschließt, so wird die zugemäßen Induktoranordnung im einfachsten Falle sammengesetzte ß-ff-Charakteristik des Kreises eine untersucht werden, bei dem die eine Spule Wechsel- 65 Zusammensetzung der beiden sein und eine niedstrom führt, die andere Gleichstrom. rigere mittlere Permeabilität aufweisen, als sie ohne Da die Richtung des von dem Wechselstrom das Vorhandensein der Gleichstromflußkomponente erzeugten Flußanteiles sich nach jeder Halbperiode im selben Pfad vorhanden wäre. Die mittlere Permea-

bilität des Pfades wird sich verringern, wenn die Gleichstromflußkomponente verringert wird, und infolgedessen wird die zusammengesetzte ß-H-Kurve veranlaßt, im Uhrzeigersinn zu rotieren. Eine derartige Rotation zeigt eine Verringerung der mittleren Permeabilität an und eine entsprechende Verringerung der mittleren Induktanz für die Lastwicklung, und infolgedessen erkennt man, daß durch Verringern der Gleichstromflußkomponente die Induktanz für die Belastungswicklung verringert ist. Die,*Anordnung gemäß vorliegender Erfindung kann demgemäß verglichen werden mit einem konventionellen ferromagnetischen Kern mit einem veränderlichen Luftspalt. .

. Beim Entwurf einer veränderbaren Induktanzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Wechselstromwicklung und die Gleichstromwicklung vorzugsweise so auf dem Kern angebracht, daß.wenig oder gar keine Spannung in der Gleichströmwicklung induziert wird innerhalb des bevorzugten Arbeitsbereiches. Dies wird zweckmäßig erreicht durch Anbringen der Wicklungen rechtwinklig zueinander, d. h. mit einander sich kreuzenden . Achsen, Wie oben ausgeführt, wird der vom Wechselstrom erzeugte Fuß in einem Teil seines Pfades von einem Joch, z. B. dem Joch 4, mit hoher Permeabilität zu einem Joch, Joch 1, niedriger Per-' meabilität umgeleitet. Jedoch könnte der Fluß im Joch 4 auch einen Pf ad¹ einschlagen durch diagonales Überqueren der Endabschnitte und das Joch 2 durchsetzen, das ein hohe Permeabilität aufweist im Gegensatz zum Joch 1 mit niedriger Permeabilität. Da die Reluktanz des magnetischen Flusses angenähert ausgedrückt werden kann als

R =

gleichstrom fließt, so besteht fast keine Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, weil sie um quer zueinander angeordnete Achsen gewickelt sind. Wenn jedoch der Steuergleichstrom vergrößert wird, erfolgt eine zunehmende Leistungsübertragung von der Primär- auf die Sekundärseite. Die Wirkungsweise eines solchen variablen Transformators kann am besten erläutert werden wie folgt.

Man berücksichtigt, daß der Primärstrom die Höhe

ίο der Induktanz auf der Sekundärwicklungsseite fest-'■■'·'■ legt. Wenn nun der Primärstrom zunimmt, wird die Induktanz der Sekundärwicklung herabgesetzt, und damit steigt die in ihr induzierte Spannung an gemäß:

V_s =

dt

Φ- ^L i

V₈ =

dt

dL dt

μ Α

worin

R = Reluktanz,
Z = Länge des Pfades,
μ = Permeabilität,
A = Querschnitt des Pfades

ist, so erkennt man, daß, falls die Gleichstromflußkomponente groß genug gemacht wird, ein Punkt erreicht wird, bei dem die Wechselstromflußkomponente zunimmt, während die Permeabilität in Joch 2 genügend' kleiner ist als die Permeabilität in Joch 1, daß der Unterschied der Länge der Pfade zwischen Joch 4 und Joch 1 und Joch 4 und Joch 2 ausgeglichen wird und ein Teil des Flusses von Joch 4 seinen Pfad durch das Joch 2 wählen wird. .

Infolge dieses »Überkreuz«-Flusses wird in der Gleichstromwicklung eine Wechselspannung induziert. Bei niedrigen Gleich- oder Wechselstromwerten ist jedoch der Einfluß dieses Überkreuzflusses vernachlässigbar und beeinflußt die Induktanz der Wechselstromwicklung nicht. Die Gleichstromwicklung kann mit einer Drossel versehen werden, um die in ihr infolge des Überkreuzflusses induzierte Wechselspannung zu unterdrücken.

Gemäß der Erfindung kann ein variabler Transformator geschaffen werden, indem eine weitere Wicklung auf dem Kern angeordnet wird mit ihrer Achse parallel zu der der Gleichstromwicklung, welche weitere Wicklung die Sekundärwicklung des Transformators ist, während die Wechselstromwicklung als Primärwicklung dient. Wenn kein Steuer-Wenn die Frequenz der Steuerspannung viel geringer ist als die Frequenz in der Primärwicklung, so wird der Ausdruck L -^- vernachlässigbar. Demgemäß gilt

γ _β _L(i i£\ ^S N \ dt )'

Man erkennt demgemäß, daß die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung abhängt von der Änderung der Induktanz, hervorgerufen durch die Schwankung des Primärstromes. Wenn der Primärstrom zunimmt, so nimmt das L (der Sekundärseite) ab, und die Spannung die auf der Sekundärseite induziert wird, nimmt zu.

Das Phänomen des »Überkreuzflusses« trägt auch zu der Entwicklung einer Spannung in der Sekundärwicklung des Transformators bei. Da die Sekundärwicklung um eine Achse gewickelt ist, die parallel zu der der Gleichstromwicklung ist, durchsetzt der Überkreuzfluß die Windungen der Sekundärwicklung und induziert eine Spannung in ihr. Wenn der Steuergleichstrom zunimmt, ändert sich die Permeabilität in den verschiedenen Jochen und ,ebenso auch die Reluktanz der verschiedenen Pfade, so daß immer mehr Überkreuzfluß mit zunehmendem Wechselstrom entsteht und infolgedessen immer mehr Spannung in der Sekundärwicklung induziert wird. Bei sehr hohen Gleich- und Wechselflußkomponenten kann ein erheblicher Anteil des Wechselflusses zum Überkreuzen gebracht werden mit einer daraus resultierenden Spannungsinduktion in der Sekundärwicklung. Es scheint jedoch, daß bei Normalbetriebspegeln der größere Anteil der Leistungsübertragung als Ergebnis des oben erläuterten Induktanzphänomens auftritt.

Es wird angenommen, daß die oben angegebenen Theorien die physikalischen Phänomene im System beschreiben, und sie werden für richtig gehalten. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Prinzipien, nach denen die Arbeitsweise der Anordnung gemäß der Erfindung verläuft, nicht vollständig entwickelt worden sind, und es ist möglich, daß weitere theoretische Fundamente der Arbeitsweise entdeckt werden können. Die hier gebrachten theoretischen Erklärun-

gen sollten deshalb nur als die gegenwärtig besten vorhandenen betrachtet werden und sollen in keiner Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beschränken.

Während in der vorangehenden theoretischen Beschreibung die Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung als variable Induktoren und variable Transformatoren beschrieben worden sind, können die Anordnungen ihrer Natur gemäß in mehreren verschiedenen Arten von Schaltungen benutztlwerden, sogar in Schaltungen, wo ein konventioneller variabler Induktor oder variabler Transformator nicht benutzt worden-würde oder könnte. Beispielsweise ist die variable Induktanz zunächst mit Rücksicht auf eine Anordnung beschrieben worden, in der die Impedanz für eine Wechselstrombelastungswicklung durch eine Änderung eines Gleichstromes in einer Steuerwicklung verändert wurde. Solch eine Anordnung hat offensichtliche Anwendungsmöglichkeiten in Pegeleinrichtungen u. dgl. Jedoch gibt es zusätzliche Möglichkeiten, nach denen die variable Induktanz benutzt werden kann. Demgemäß können neben dem Fall, wo das Lastsignal Wechselspannung und das Steuersignal Gleichspannung ist, das Lastsignal Gleichspannung sein und das Steuersignal Wechselspannung sein, oder sowohl das Lastsignal als auch das Steuersignal können Wechselspannung sein, wie im folgenden im einzelnen beschrieben wird.

Durch Einprägen eines Gleichstromsignals in die Belastungswicklung und eines Wechselstromsignals in die Steuerwicklung kann erreicht werden, daß die Anordnung als Verstärker und Umkehrer arbeitet. Infolge der veränderlichen Induktanzcharakteristik der Anordnung und der Änderung des Flusses, der die Lastwicklung durchsetzt als Ergebnis der Änderung des Steuerflusses kann Wechselspannungsleistung erzeugt werden oder eine Leistungsverstärkung erzielt werden. Wenn ein Wechselstrom sowohl der Lastwicklung als auch der Steuerwicklung eingeprägt wird, so kann das Steuersignal benutzt werden, um das Lastsignal zu modulieren. Eine Gleichrichtung kann ebenfalls erreicht werden durch Steigerung der induktiven Reaktanz der Belastungswicklung bis zu dem Punkt wirksamen AbSchneidens für eine Polarität des Belastungsstromes und Herabsetzen der induktiven Reaktanz für die andere Polarität. Selbstverständlich kann auch ein Vollwellengleichrichter in dieser Weise aufgebaut werden.

Für den Betrieb eines variablen Transformators gemäß vorliegender Erfindung gibt es zwei Betriebsarten: Eine Frequenzverdopplungsart und eine Frequenznichtverdopplungsart. Nach der ersten Art wird die Frequenz des Wechselstromsignals verdoppelt beim Übergang vom Primärkreis auf den Sekundärkreis.

Das Frequenzverdopplungsphänomen kann am besten mit Hilfe der Ausdrücke der Induktanz erläutert werden. Wie oben beschrieben, legt der Primärstrom den Grad der Induktanz der Sekundärwicklung fest. Eine Induktanz ist jedoch eine absolute Größe, und demgemäß ändert sich die Induktanz der Sekundärwicklung zweimal für jede Periode des Primärstromes, und demgemäß verdoppelt sich die Ausgangsfrequenz.

Das Phänomen des Überkreuzfiusses ergibt auch eine teilweise Erklärung für das Frequenzverdopplungsphänomen. Bei normalen Eingangspegeln wird bei Anlegen eines Wechselstromsignals an die Primärwicklung in der Sekundärwicklung eine Spannung mit der doppelten Frequenz des Eingangssignals induziert. Dies beruht darauf, daß bei jedem HaIbzyklus des Wechselstromeingangs der diagonale Pfad, dem der Überkreuzfluß folgt, umschaltet; beispielsweise kreuzt der Fluß im ersten Halbzyklus von Joch 1 zu Joch 3 und im zweiten Halbzyklus von Joch 2 zu Joch 4. Jeder dieser diagonalen Pfade

ίο durchsetzt aber die Sekundärwicklung in derselben ■■■■- Richtung, und infolgedessen ist die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung immer in derselben Richtung unabhängig von dem Diagonalpf ad, dem der Fluß folgt. Im Ergebnis bieten sich die modifizierten Absolutwerte des Eingangs der Sekundärwicklung so dar, als stammten sie von einem VoIlwellengleichrichter. Der modifizierte absolute Wert einer Sinuswelle entspricht einer Ausgangswellenform mit der doppelten Frequenz des Eingangs.

Da die Wechselflußkomponente in den Jochen bedeutungsvoll ist für die Ausbildung des gewünschten Reluktanzmusters, spricht der Überkreuzfluß nicht unmittelbar auf das Eingangssignal an, sondern baut sich langsam auf, wie die Neigung der Ausgangswellenform Null ist in dem Zeitpunkt, in dem die Neigung der Eingangswellenform ihr Maximum hat, d. h. durch Null geht. Das gleiche Phänomen tritt auf am Ende jedes Halbzyklus des Eingangssignals mit dem Ergebnis, daß die Ausgangswellen- form ausgerundet wird und die doppelte Frequenz wie das Eingangssignal hat, wenn auch etwas verzerrt ist.

Der variable Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch betrieben werden in einer Art, die nicht die Frequenz verdoppelt, durch Einspeisen in die Pfade, die von dem Wechselfluß durchsetzt werden, eines Vorspannflusses genügender Größe, um sicherzustellen, daß die Richtung des aus dem Vorspann- und dem Wechselfluß zusammengesetzten Flusses sich nicht umkehrt, d. h. also durch Festlegen des Vorspannflusses mindestens in einer Größe gleich der maximalen Größe des Wechselflusses.

Auch die nichtverdoppelnde Betriebsart wird an Hand der Induktanztheorie erläutert. Falls der Primärfluß niemals die Null-Linie durchläuft, gibt es nur einen Punkt in jeder Periode des Eingangs, bei dem die Induktanz auf der Sekundärseite ein Minimum erreicht — den Spitzenwert der ins Positive gehenden Halbperiode. Ähnlich gibt es nur einen Punkt maximaler Induktanz ^:— den Spitzenwert der negativen Halbperiode. Da der Steuerstrom niemals seine Richtung ändert, gibt es keinen absoluten Wert, und infolgedessen hat der Ausgang dieselbe Frequenz wie der Eingang.

Vom Standpunkt des Uberkreuzflußphänomens betrachtet, ergibt sich, daß bei dem hohen Vorspannfluß das gleiche Paar diagonaler Joche immer die niedrigere Reluktanz besitzt und der Überkreuzfluß immer dem gleichen diagonalen Pfad folgt. Die Wellenform des Überkreuzflusses folgt nun der Eingangsstrom-Wellenform, weil die geringere Reluktanz der Joche bereits durch die primäre Vorspannung gegeben ist; sobald demnach der Wechselfluß anzusteigen beginnt, wird er auch zu überkreuzen beginnen. Der Überkreuzfluß wird ein Maximum haben bei einem Maximum des Eingangsstromes und wird dessen Abfall folgen. Wenn jedoch der Wechselstrom

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durch Null geht, ist der Überkreuzfluß immer noch zweiten magnetomotorische Kräfte erzeugenden Mit-

in der gleichen Diagonale und in derselben Richtung, teln hervorgerufen ist, erstreckt von dem ersten

und der Ausgang fährt fort abzufallen, bis am Ein- Abschnitt des Kerns durch die erste und vierte der

gang wieder ein Anstieg erfolgt; dies ist abweichend Zonen parallel zu dem zweiten Abschnitt und von

von dem Fall der Nichtvorspannung, wo die Dia- 5 dort durch die zweite und dritte der Zonen parallel

gonale umschaltete, wenn der Eingang durch Null zurück zu dem ersten Abschnitt, so daß die von den

ging und der Überkreuzfluß wieder anzusteigen be- ersten und zweiten magnetomotorische Kräfte erzeu-

gann. genden Mitteln hervorgerufenen Flüsse kombiniert

Die variable Transformatoranordnung gemäß vor- sind zu additiver Wirkung in ein jedes Paar von

liegteder Erfindung hat auch mehrere Anwendungs- io Zonen, die einen^parallelen Pfad bilden, und zu

möglichkeiten. Beispielsweise kann sie als variabler subtraktiver Wirkung in-dem anderen jedes Zcsnen-

Autotransformator benutzt werden, worin die Primär- paares. .-. ι ■[■/■■

und die Sekundärwicklung des Transformators nach.. Andere Gegenstände und Vorteilender vorliegenden

der Erfindung in fester Anordnung zueinander stehen. Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläu-

Die gewünschte Wirkung ist dann erreicht durch 15 tert, in denen

Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Primär- Fig. 1, 2, 3 und 4 eine erste Einrichtung gemäß

und der Sekundärseite, durch Änderung des Kon- vorliegender Erfindung zeigen und die Prinzipien

troUfeldes. Diese Anordnung gemäß der Erfindung ihrer Arbeitsweise erläutert werden;

ermöglicht es, die Vorteile der Systeme, wie sie bisher Fig. IA, 2 A, 3 A und 4 A Ansichten sind entlang

bekannt sind, mit einer viel weniger komplizierten 20 der Linien IA-IA, 2A-IA, 3A-3A und4A-4A der

Anordnung und einer, die durch eine einfache F i g. 1 bis 4, wobei zwecks klarerer Darstellung die

elektrische Maßnahme gesteuert werden kann, zu Wicklungen nicht gezeichnet sind;

erreichen. Wie bekannt ist, weist ein typischer Fig. 5A zeigt die Magnetisierungskurve eines

variabler Autotransformator eine Sekundärwicklung Flußpfades in dem Kern, wie er in F i g. 1 bis 4

auf, deren verschiedene Anzapfungen mit mehr oder 25 dargestellt ist, wenn nur ein einzelnes flußerzeugendes

weniger Windungen verbunden sind. Zwar vermeidet Mittel vorhanden ist;

diese Methode, Wechselspannung zu verändern, die Fig. 5B und 5C zeigen die Magnetisierungs-Verluste, die in variablen Spannungsteilernetzwerken kurven einzelner Joche des Kerns, gezeigt in F i g. 1 auftreten, aber sie erfordert eine mechanische Kon- bis 4, die von zwei Flüssen in entgegengesetzter trolle. Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch 30 Richtung durchsetzt werden;

kann der Kopplungsgrad elektrisch gesteuert werden, Fig. 5D zeigt die zusammengesetzte Magnetisie-

wobei die Notwendigkeit für elektrische Steuermoto- rungskurve eines Pfades in dem Kern, gezeigt in

ren u. dgl. vermieden wird. F i g. 1 bis 4, der ein Joch aufweist, in dem zwei

Es ist natürlich offensichtlich, daß entweder die unabhängig voneinander erzeugte Flüsse in einander

verdoppelnde oder die nichtverdoppelnde Betriebsart 35 entgegengesetzter Richtung vorliegen, und ein Joch,

benutzt werden kann, wenn der Transformator als in dem die Flüsse einander addieren;

variabler Transformator benutzt wird. Wenn die F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen Steuerstrom

erstere Art benutzt wird, kann die Frequenz ver- und Induktanz in einer Anordnung, die gemäß der

doppelt werden und die Amplitude des Ausgangs- vorliegenden Erfindung entworfen ist;

signals kontinuierlich gesteuert werden. 40 F i g. 7 zeigt eine zweite Anordnung gemäß vor-

Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfin- liegender Erfindung;

dung eine magnetische Übertragungsanordnung für F i g. 8 zeigt eine dritte Anordnung gemäß vorelektrische Energie, deren Betrieb im ungesättigten liegender Erfindung;
Teil ihrer Magnetisierungskurve stattfindet. F i g. 9 zeigt eine vierte Anordnung gemäß vor-

Zusammenfassend bezieht sich die vorliegende 45 liegender Erfindung;

Erfindung auf eine Ubertragungsanordnung für elek- Fig. 10 ist eine vereinfachte Darstellung einer

trische Energie mit einem Kern mit ersten und fünften Anordnung gemäß vorliegender Erfindung;

zweiten Abschnitten und vier voneinander räumlich Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm eines

getrennten Zonen, deren jede von Fluß durchsetzt variablen Induktorkreises gemäß vorliegender Erfin-

werden kann von einem der ersten und zweiten 50 dung;

Abschnitte zu anderen Abschnitten des Kerns, mit Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines ersten magnetomotorische Kräfte erzeugenden Mit- LC-Kreises mit abstimmbarer Frequenz unter Beteln, die auf diesem Kern angeordnet sind und fähig nutzung der variablen Induktanz gemäß vorliegender sind, ein erstes Flußmuster in dem Kern zu erzeugen, Erfindung;

und mit zweiten magnetomotorische Kräfte erzeugen- 55 Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm eines

den Mitteln, die auf dem Kern angeordnet sind und Modulationskreises unter Benutzung der variablen

fähig sind, ein zweites Flußmuster in dem Kern zu Induktanz gemäß vorliegender Erfindung;

erzeugen. Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm eines

Die besondere Verbesserung, die gemäß der vor- Verstärkers unter Ausnutzung der variablen Induk-

liegenden Erfindung über den vorher erläuterten 60 tanz gemäß vorliegender Erfindung, und

Stand der Technik hinaus erzielt wird, ist, daß sich Fig. 15A, 15B und 15C sind schematische Dar-

das erste Flußmuster, das von den ersten magneto- Stellungen von Kernen, entworfen in Übereinstim-

motorische Kräfte erzeugenden Mitteln hervorgerufen ' mung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die

wird, erstreckt von dem ersten Abschnitt des Kerns Wicklungen nicht rechtwinklig zueinander angeordnet

durch die erste und zweite der Zonen parallel zum 65 sind.

zweiten Abschnitt und von dort durch die dritte und Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung, wie

vierte der Zonen parallel zurück zum ersten Abschnitt sie oben besprochen worden ist, soll näher erläutert

und daß sich das zweite Flußmuster, das von den werden mit Bezug auf Fig. 1, IA, 2, 2A, 3, 3A,

4 und 4 A zusammen mit den Magnetisierungskurven, gezeigt in den Fig. 5A, 5B, 5C und 5D. Da die F i g. 1 bis 4 sich nur in ihrer Arbeitsweise unterscheiden, sind ähnliche Bauteile durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. In F i g. 1 ist ein ferromagnetischer Kern 10 gezeigt, mit ihn durchsetzenden Öffnungen oder Durchlässen 11 und 12. Demgemäß weist der Kern vier Joche oder gemeinsame Abschnitte 13, 14, 15 und 16 auf und End- oder Kappenäbschnitte 17 und 18, die die Joche mittels einer Masse aus ferromagnetischem Material verbinden. Eine erste -Wicklung'.19 ist um den Kappenabschnitt 18 durch die Öffnung 11 gewickelt, wäh- ·, rend eine zweite Wicklung 20 um den Kappenabschnitt 17 durch die Öffnung 12 gewickelt ist.

Die folgende Erklärung soll die Arbeitsweise der Anordnung in ihrer einfachsten Form erläutern, d. h. wo ein Wechselstrom einer Wicklung zugeführt ist, z. B. der Wicklung 19, und ein Gleichstrom die Wicklung 20 beaufschlagt, wobei der gleichgerichtete Fluß, der von der Wicklung 20 erzeugt wird, die Permeabilität des Pfades steuert, den der Fluß, der von der Wechselstromwicklung 19 erzeugt wird, durchsetzt. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß andere Stromkombinationen gebraucht werden können, wie oben erläutert und wie weiter unten nochmals erläutert werden wird. In dieser Beschreibung wird der Einfachheit halber die Wicklung des Kreises, der gesteuert wird, als Belastungs- oder Lastwicklung bezeichnet werden, während die Wicklung des Kreises, der die Steuerung besorgt, als Steuerwicklung bezeichnet werden soll.

Wie in den F i g. 1 und 1A gezeigt ist, umfaßt der magnetische Kreis des gleichgerichteten Flusses, erzeugt von dem Gleichstrom in der Windung 20, zwei Pfade, wie durch die vollständigen Pfeile, die ausgefüllten Punkte und die Kreuze, umgeben von einem einfachen Kreis, angezeigt ist. Der erste dieser Pfade geht von dem Endabschnitt 17, dem Joch 16, dem Endabschnitt 18 zu dem Joch 15, während der zweite von dem Endabschnitt 17 durch das Joch 13, den Endabschnitt 18 zum Joch 14 geht. Auch der magnetische Kreis des Wechselflusses, angedeutet durch die unterbrochenen Pfeile, die unausgefüllten Punkte und die Kreuze, umgeben von einem Doppelkreis, erzeugt als Resultat eines Wechselstromes in der Wicklung 19, umfaßt zwei Pfade: einen ersten Pfad von dem Endabschnitt 17 durch das Joch 14, den Endabschnitt 18 zum Joch 15 und einen zweiten Pfad von dem Endabschnitt 17 durch das Joch 13, den Endabschnitt 18 zum Joch 16.

Natürlich gibt es in jedem der Joche oder gemeinsamen Abschnitte nur einen Fluß mit Wechsel- und gleichgerichteten Komponenten. Jedoch werden der Einfachheit halber bei der Erläuterung der Erfindung diese Flußanteile manchmal einfach als Flüsse bezeichnet werden. Wie man sieht, stehen während der ersten Halbperiode des Wechselstromes die gleichgerichtete Flußkomponente und die Wechselflußkomponente in additiver Beziehung in den Jochen 13 und 15, aber in entgegengesetzter Beziehung in den Jochen 14 und 16. Infolgedessen ist die Permeabilität der Joche 14 und 16 viel größer als die Permeabilität der Joche 13 und 15, und die Reluktanz in den Jochen 14 und 16 ist niedriger als die Reluktanz in den Jochen 13 und 15. Natürlich werden während der zweiten Halbperiode des Wechselstromes die Flußkomponenten einander entgegengerichtet sein in den Jochen 13 und 15 und einander addieren in den Jochen 14 und 16. Jedoch wird während jeder Halbpenode jeder Wechselflußpfad ein additives Joch und ein subtraktives Joch enthalten. Als Ergebnis der additiven Flußkomponente in dem Joch 15 und der subtraktiven Flußkomponente in dem Joch 14 wird die mittlere Permeabilität des ersten Pfades, der von dem Wechselfluß durchsetzt ist, herabgesetzt, und infolgedessen .wird die mittlere Induktanz der Windung 19 reduziert. Die mittlere Permeabilität des zweiten Pfades, der von dem Wechselfluß durchsetzt wird, wird ebenfalls herabgesetzt, weil dieser Pfad auch einen gemeinsamen Abschnitt aufweist, in dem die Flußkomponenten in entgegengesetzter und einen zweiten Abschnitt, in dem sie in additiver Beziehung zueinander stehen. Die mittlere Permeabilität jedes von dem Wechselfiuß durchsetzten Pfades ist demgemäß reduziert und infolgedessen die mittlere Induktanz der Wicklung 19 ebenfalls. Vorzugsweise wird der Kern symmetrisch ausgeführt, so daß seine Arbeitsweise während beider Halbperioden _des Wechselstromes identisch ist.

In den Fig. 2 und 2A ist der der Wicklung20 eingeprägte Gleichstrom vergrößert worden und hat zu dem Resultat geführt, daß mehr gleichgerichteter Fluß im Kern erzeugt wurde. Als Ergebnis dieser Vergrößerung des gleichgerichteten Flusses weisen die Joche 15 und 13 eine sogar geringere Permeabilität auf, als es der Fall war in der Fig. 1, und ihre Reluktanz ist entsprechend höher. Ein Teil des Wechselflusses, der von dem Joch 14 auf das Joch 15 übergeht, mag sich Pfade geringerer Reluktanz auswählen, und demgemäß mag er nicht insgesamt einer relativ geraden Linie von dem Joch 14 zum Joch 15 folgen, sondern wird eher teilweise »zur Grenze ausweichen« weg von dem mittleren Teil des Endabschnittes 18. Andere bekannte, wenn auch nicht vollständig untersuchte Phänomene magnetischer Kreise, wie das Vorhandensein und die Magnetisierbarkeit magnetischer Bereiche, werden ebenfalls zu diesem Grenzabwanderungseffekt beitragen. Da der Fluß, der auf diese Weise zur Grenze abweicht, die Wicklung 20 mit gleichen Größen, aber entgegengesetzten Richtungen durchsetzen wird, ist nur eine sehr kleine effektive Flußkopplung vorhanden zwl·- schen den Wicklungen 19 und 20, und eine gute Isolation zwischen ihnen wird aufrechterhalten.

Wenn der Gleichstrom noch weiter gesteigert wird, so wird auch eine weitere Steigerung des gleichgerichteten Flusses im Kern hervorgerufen. Dieser Zustand ist in den F i g. 3 und 3 A gezeigt. In diesen Figuren ist eine dritte Wicklung 21 um den Endabschnitt 17 durch die Wicklung 12 gewickelt, so daß ihre Achse parallel zu der Achse der Wicklung 20 verläuft. Diese Wicklung 21 wirkt als eine Sekundärwicklung mit dem Ergebnis, daß die Anordnung jetzt als variabler Transformator dient als Ergebnis des oben erläuterten Phänomens der variablen Induktanz. Da der gleichgerichtete Fluß im Kern zunimmt, wird die Reluktanz der Joche 13 und 15 höher und höher, und ihre Permeabilität wird niedriger und niedriger. Wie oben ausgeführt, hängt die Reluktanz eines magnetischen Kreises sowohl von seiner Länge als auch von seiner Permeabilität ab. Da die Permeabilität des Joches 15 niedriger und niedriger wird, wird die Reluktanz des magnetischen Pfades zwischen dem Joch 14 und dem Joch 16 geringer als die Reluktanz des magnetischen Pfades zwischen dem

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Joch 14 und dem Joch 15. Infolgedessen kreuzt etwas von dem Fluß, der das Joch 15 verläßt, über den Endabschnitt 18 in die Niedrigreluktanzregion des Joches 16.

Dieser Überkreuzfluß durchsetzt die Wicklung 21 mit dem Ergebnis, daß in ihr eine Spannung induziert wird. Der Überkreuzfluß schneidet auch die Wicklung 20 und induziert in der Wicklung eine Spannung; jedoch kann diese Spannung im wesentlichen unterdrückt werden durch die Benutzung einer geeigneten Drossel. Es ist dabei zu verstehen, daß es keinen be-, stimmten Punkt gibt, bei dem der Fluß vom Joch 14 über zu dem Joch 16 kreuzt, anstatt das Joch 15 zu durchsetzen, sondern daß dies eher ein gradueller Prozeß ist, bei dem mehr und mehr Fluß überkreuzt, wenn die Reluktanz des Joches 15 höher und höher wird und die des Joches 16 niedriger und niedriger. Wie oben erwähnt, scheint jedoch der größte Teil der Energieübertragung der sich ändernden Induktanz zuzuschreiben zu sein und nur in geringem Maße der Wirkung des Überkreuzflusses.

Es ist zu verstehen, daß, falls gewünscht, die Funktionen der Steuerwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 in einer einzigen Wicklung kombiniert werden können, der eine Gleichstromvorspannung zugeführt wird oder ein Steuersignal und von der gleichzeitig der Ausgangswert entnommen wird.

Die Fig. 4 und 4A erläutern die Arbeitsweise der Anordnung in der Art der Nichtfrequenzverdopplung. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist eine Primärvorspannungswicklung 22 durch die Öffnung 11 gewickelt und wirkt als Erzeuger eines gleichgerichteten Flusses in dem Pfad, der von dem Wechselfluß durchsetzt wird. Falls die Höhe des Vorspannflusses, der von der Wicklung 22 erzeugt wird und durch die unterbrochenen Pfeile, die Doppelpfeile und die Doppelkreise angedeutet ist, höher gewählt ist als der höchste Wert, den der Wechselfluß erreicht, so wird die Induktanz der Sekundärwicklung nur einmal in jedem Zyklus ein Maximum annehmen mit dem Ergebnis, daß keine Frequenzverdopplung erfolgt. Betrachtet man Fig. 4 und 4A vom Standpunkt des Überkreuzflusses, so kann man sehen, daß die Joche 14 und 16 immer die Joche niedriger Reluktanz sind und infolgedessen der Überkreuzfluß immer dem Pfad folgen wird, wie er angedeutet ist, mit dem Ergebnis, daß die in der Sekundärwicklung 21 induzierte Spannung dieselbe Frequenz haben wird wie die Eingangsfrequenz der Primärwicklung 19, wie vorher erläutert.

An diesem Punkt mag es nützlich sein, zu den Fig. 5A, 5B, 5C und 5D überzugehen, um das Verständnis der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung zu fördern. Wenn kein Steuer-oder Gleichstrom in der Wicklung 20 fließt, sind die magnetischen Joche 13, 14, 15 und 16 alle unvorgespannt, vom magnetischen Standpunkt gesehen, und jedes Joch arbeitet im wesentlichen auf dem gleichen Punkt seiner zugehörigen Hysteresiskurve, während der magnetische Fluß in jedem Joch im wesentlichen die gleiche Höhe besitzt für alle Werte des Belastungsstromes, d. h. des Stromes durch die Wicklung 19, wobei der einzige Unterschied der ist, daß zwei Joche auf dem negativen Teil ihrer Hysteresiskurve arbeiten, während die anderen beiden Joche auf dem positiven Ast ihrer Hysteresiskurve arbeiten. Deshalb ist in dem praktischen Fall, bei dem der Belastungsstrom von einer Wechselstromquelle stammt, der Ort des Arbeitspunktes, der jedem Joch zugehört, im wesentlichen identisch und wird ein Muster durchlaufen ähnlich dem, das in Fig. 5A für eine vollständige Periode des Belastungsstromes gezeigt ist. Diese Kurve ist das, was man normalerweise als eine normale Arbeitshysteresisschleife bezeichnet. In diesem Fall durchläuft der Belastungsstrom eine mittlere Induktanz nahe dem Maximum während des gesamten Zyklus, weil keine magnetische Vorspannung in irgendeinem der Joche vorhanden ist und demgemäß

:i.o jedes Joch seine maximale oder nahezu maximale Permeabilität aufweist. Jede dieser Kurven kann experimentell nachgewiesen werden durch Beobachtung der ,auf einem Oszillographen geschriebenen Hysteresiskurve. '^: "'

Es soll nun angenommen werden, daß ein Gleichstrom durch die Wicklung 20 fließt mit dem Ergebnis, daß eine magnetische Vorspannung in jedem Joch erzeugt wird. Diese Vorspannung ist in den Fig. 5B und 5 C durch die vertikalen gestrichelten Linien angedeutet. Die Hysteresiskurve, die den additiven Jochen 13 und 15 zugeordnet ist, ist nun ähnlich der, die in Fig. 5B gezeigt ist. Während die Hysteresiskurve, die den subtraktiven Jochen 14 und 16 zugeordnet ist, ähnlich der ist, die in F i g. 5 C gezeigt ist.

Wie man aus diesen Figuren entnimmt, durchläuft jede dieser Hysteresiskurven einen Umlauf um den Vorspannungswert herum. Die zusammengesetzte Hysteresiskurve, zugeordnet den Jochen 14 und 15, d. h., also der Pfad, der von dem Wechselfluß durch setzt wird, ist ähnlich der, die in Fig. 5D gezeigt ist. Diese Hysteresiskurve ist zunächst zusammengesetzt aus der linken Seite der Kurve der Fig. 5B und der rechten Seite der Kurve aus Fig. 5C, wobei der Vorspannungswert, der von dem Steuerstrom vorgegeben ist, als der Mittelpunkt der Kurve in jedem Teil der Kurve wirkt.

Die Form der Kurve in Fig. 5D ist vor allem durch das Joch mit der höchsten Permeabilität zu jeder Zeit bestimmt. Dies ist natürlich nur dann vollständig richtig, wenn die Permeabilität eines der Joche sehr hoch ist im Vergleich mit den anderen, und demgemäß wird das mehr der Fall sein für die Belastungswicklung, sobald die Steuerstromhöhe auf einen hohen Wert gebracht wird. Infolge dervorzugsweise symmetrischen Form des Kerns wird die mittlere Permeabilität des Materials von Joch 14 höher sein als die von Joch 15 während einer Hälfte der Periode des Belastungsstromes und umgekehrt während der anderen Hälfte der Periode. Diese Symmetrie zusammen mit der Arbeitsweise der Jochpfade veranlaßt, daß die Hysteresisschleife der Fig. 5D ihre unterschiedliche Charakteristikform aufweist und führt dazu, daß der Laststrom eine mittlere Induktanz durchläuft während des Zyklus, die geringer ist als die, wenn kein Steuerstrom vorhanden war. Dies ist offensichtlich, daß die Hysteresisschleife der Fig. 5D etwas im Uhrzeigersinn rotiert ist, verglichen mit der Hysteresisschleife der Fig. 5A. Im Mittel ist also ein größeres H erforderlich für einen bestimmten Wert von B, wenn die Hysteresiskurve im Uhrzeigersinn rotiert.

Wenn der Steuerstrom noch weiter gesteigert wird, rotiert die Hysteresisschleife mehr im mehr im Uhrzeigersinn, bis sie im wesentlichen horizontal liegt.

Das zeigt an, daß die mittlere Permeabilität des von der Belastungswicklung beaufschlagten Materials sehr niedrig ist im Vergleich zu dem Fall, wo kein Steuerstrom vorhanden ist, und natürlich besitzt in diesem

15 16

Fall die variable Induktanz eine sehr niedrigemittiere In Fig. 10 ist diagrammäßig eine Grundform der

Induktanz. Dies ist die »Sättigungs«-Bedingung für vorliegenden Erfindung als Anwendung für einen

den Induktor gemäß vorliegender Erfindung, da zu- variablen Tranformator gezeigt mit einem Kern 50,

sätzlicher Steuerstrom nur eine relativ geringe Ände- der aus einem Block von ferromagnetischem Material

rung der mittleren Induktanz, die der Laststrom 5 mit Queröffnungen 51 und 52 besteht. Es sollte so

während seines Arbeitszyklus durchläuft, hervorrufen wenig wie möglich ferromagnetisches Material zwi-

wird. sehen den öffnungen 51 und 52 sein, und vorzugs-

Eine typische Abhängigkeit der Induktanz der weise sollten sie einander ganz oder teilweise durch-

Belastungswicklung als Funktion des Steuerstromes setzen. Wenn ein für das bestimmte ferromagnetische

ist in Fig. 6 gezeigt. Wie man aus der Figur;und io Material zu großer Abstand zwischen diesen Öffnun-

der vorhergehenden Beschreibung entnimmt, ist die gen besteht, so durchsetzen die Flüsse im Kern Pfade

Polarität dee Steuerstromes unwichtig für die Steue- .-niedriger Reluktanz, die ihnen zur Verfügung stehen"

rung der Anordnung. und die keinen gemeinsamen Bereich umfassen, wie

Die F i g. 7, 8 und 9 zeigen andere Kernformen, er für die Arbeitsweise nach der vorliegenden Erfindie benutzt werden können entweder für den varia- 15 dung notwendig ist. Die Öffnungen sollten deshalb blen Induktor oder den variablen Transformator so angeordnet sein, daß im wesentlichen der gesamte gemäß vorliegender Erfindung. Vorliegend zeigen sie erzeugte Fluß diese gemeinsamen Bereiche durchvariable Induktoren. Es ist jedoch offensichtlich, daß setzen muß.

eine Sekundärwicklung hinzugefügt werden könnte, Eine Primärwicklung 53 verläuft durch die Öffnung um, wie oben erläutert, ihre Arbeitsweise zu der 20 51 und eine Sekundärwicklung 54 durch die Öffnung eines variablen Transformators zu machen. In Fig. 7 52, so daß die Achsen dieser Spulen aus den vorher sind ein Paar von U-Kernen 25 und 26 gegeneinander erläuterten Gründen rechtwinklig aufeinanderstehen. um 90° versetzt und ihre Basen zusammengefügt. Eine Zwischen- oder Steuerwicklung 55 durchläuft ,Die Basen jedes U-Kernes 25 und 26 sind Vorzugs- ebenfalls die Öffnung 52 mit ihrer Achse parallel der weise sehr glatt geläppt, so daß die Verbindung der 25 Achse der Sekundärwicklung 54. Falls gewünscht, beiden Kernteile so vollkommen wie möglich ist und kann eine Vorspannwicklung 56 durch die Öffnung jeder Luftspalt minimal gemacht wird. Eine erste 51 vorgesehen sein mit ihrer Achse parallel der Achse Wicklung 27 ist um den Kern 25 gewickelt, während der Primärwicklung 53. Die Vorspannwicklung 56 eine zweite Wicklung 28 um den Kern 26 gewickelt könnte durch einen Permanentmagneten ersetzt ist. Die gemeinsamen Bereiche, die die Flüsse, die 30 werden, falls gewünscht, aber die Vorspannwicklung von den beiden Spulen 27 und 28 erzeugt werden, wird vorzugsweise benutzt, um eine unabhängige durchsetzen, sind allgemein mit 29, 30 und 31 be- Steuerung des Primärfeldes vorzusehen. Die Vorzeichnet. Der vierte gemeinsame Bereich ist natürlich spannwicklung könnte auch vermieden werden durch die andere verdeckte Verbindung der Kerne 25 und Einprägen des Vorspannsignals direkt in die Primär-26. Dies ist ein Fall, bei dem die »Joche« keine 35 wicklung. Wenn keine primäre Vorspannung vorbaulich definierbare Existenz besitzen, wo sie jedoch gesehen ist oder wenn die Primärvorspannung ungenichtsdestoweniger eine Wirkungsexistenz besitzen. nügend ist um zu verhindern, daß das Primärsignal Die Wicklungen 27 und 28 sind mit ihren Achsen in den negativen Bereich geht, so arbeitet der Transsenkrecht aufeinander gezeigt. Dies ist vorzuziehen, formator im Frequenzverdopplungsmodus. Wenn die aber nicht wirkungswesentlich, da die erforderlichen 40 Primärwicklung einen genügend hohen Strom führt, Flußpfade doch durch die Kerne bestimmt sind, um den Primärfluß gleichgerichtet aufrechtzuerhalten auch wenn die Spulen nicht rechtwinklig zueinander bei Anwesenheit eines Wechselstromeinganges in der angeordnet sind. Wenn jedoch die Spulen nicht Primärwicklung 52, so arbeitet der Transformator im rechtwinklig zueinander angeordnet sind, nimmt die Nichtfrequenzverdopplungsniodus. Die Ursachen für Kopplung zwischen ihnen zu, und demgemäß ist die 45 diese Phänomene sind oben erklärt worden.
Isolation der Spulen untereinander nicht auf ihren In Fig. 11 ist eine Schaltung gezeigt für die AusMaximalwert gebracht. nutzung des variablen Induktors gemäß vorliegender

Der Kern der Fig. 8 ist sehr ähnlich dem der Erfindung für die Steuerung eines Stromflusses zu

Fig. 1 bis 4 und wird durch Ausbilden von Schlitzen einer Last. Die Anwendung eines Kerns, der gemäß

32 in U-Kernen 33 und 34 hergestellt ähnlich den 50 vorliegender Erfindung .aufgebaut ist, und seiner Kernen25 und 26 von Fig. 7. Die Basen der Kerne zugehörigen Wicklungen wird in dieser und den

33 und 34 sind danach geläppt und zusammengefügt, folgenden Figuren angedeutet durch ein T-förmiges um eine Struktur mit vier Jochen oder gemeinsamen Eisenkernsymbol. Die Belastungswicklung 61 des Bereichen 35, 36, 37 und 38 zu bilden. Eine Wick- variablen Induktors 60 ist in Reihe geschaltet mit lung 39 ist auf dem Kern 33 angebracht und eine 55 einer Wechselstromquelle 62 und einer angepaßten Wicklung 40 auf dem Kern 34, vorzugsweise aber Belastung 63. Eine Steuerwicklung 64, die auf den nicht notwendigerweise mit ihren Achsen rechtwinklig - Kern gewickelt ist, ist über ein Potentiometer 65 mit aufeinander. dem Ausgang einer Gleichstromquelle 66 verbunden.

F i g. 9 zeigt einen rohrförmigen ferromagnetischen Durch Änderung der Stellung des Potentiometer-Kern 31 mit einem axialen Durchlaß 42 und einem 60 abgriffs kann der Gleichstromfluß in der Wicklung 64 Paar einander gegenüberstehend angeordneter radia- variiert werden mit gleichzeitiger Änderung der ler Schlitze 43 und 44. Eine erste Wicklung 45 ist Induktanz der Wicklung 61 mit dem Ergebnis, daß durch den Axialdurchlaß 42 gewickelt, während eine der Stromfluß durch die Belastung 63 elektrisch gezweite Wicklung 46 durch die Schlitze 43 und 44 steuert wird in der oben ausgeführten Weise. Es wird angebracht ist. Die von diesen beiden Wicklungen 65 natürlich vorausgesetzt, daß das Potentiometer mehr hervorgerufenen Flüsse durchsetzen gemeinsame Be- symbolisch gemeint ist für die verschiedenen Mögreiche bei 47 und 48 und bei ähnlichen Stellen auf lichkeiten der Variation des Steuergleichstromes,
der gegenüberliegenden Seite des Kerns. Fig. 12 zeigt einen auf eine variable Frequenz

abgestimmten LC-Kreis unter Verwendung eines variablen Induktors, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In dieser Figur ist die Lastwicklung 71 des variablen Induktors 70 mit dem Kondensator 72 parallel geschaltet, um einen abgestimmten LC-Kreis zu bilden, der an irgendeinen anderen angepaßten Kreis mittels der Anschlüsse 73 und 74 angeschlossen werden kann.

Die Kontrollwicklung 75 des Induktors 70 liegt am Abgriff eines Potentiometers 76, das seinerseits über dem Ausgang einer Gleichspannungsquelle 77 liegt. Wie oben ausgeführt worden ist, bewirkt eine Veränderung des Gleichstromes, der durch die Steuer-, wicklung 75 fließt, eine Veränderung der Induktanz der Wicklung 71, und infolgedessen wird sich die Frequenz, auf die der LC-Kreis, der seinerseits die Wicklung 71 enthält, abgestimmt ist, ebenfalls ändern. Eine derartige Schaltung würde z. B. von außerordentlich großem Nutzen sein bei der Abstimmung von Rundfunkgeräten mittels variabler Induktanz an Stelle der konventionellen Veränderung der Kapazität. Da der Kern des Induktors 70 ganz klein gemacht werden kann, könnte die Größe derartiger Rundfunkgeräte reduziert werden unter das gegenwärtig Mögliche bei Radios, die einen relativ großen Abstimmkondensator benutzen. Zusätzlich würde die Anwendung dieser Schaltung eine Fernsteuerung der Rundfunkgeräte erlauben, da eine elektrische anstatt einer mechanischen Steuerung die Abstimmfunktion übernimmt.

Fig. 13 zeigt eine Schaltung für die Amplitudenmodulation einer Trägerfrequenz. In dieser Figur ist die Lastwicklung 80 eines Induktors 81, der gemäß vorliegender Erfindung aufgebaut ist, zwischen den Ausgang eines Leistungsverstärkers 82 und eine Last 83 geschaltet. Der Eingang des Leistungsverstärkers 82 wird von einem Trägerfrequenzoszillator 84 gespeist.

Die Steuerwicklung 85 des Induktors 81 ist mit dem Ausgang eines Modulationsverstärkers 86 verbunden, der seine Eingangssignale von einer Modulationssignalquelle 87 erhält. Solange die Frequenz der Modulationssignalquelle relativ niedrig ist im Vergleich zu der des Oszillators 84, wirkt der im Kern von der Steuerwicklung 85 erzeugte Fluß in derselben Weise wie ein gleichgerichteter Fluß, der von einer Gleichstromquelle erzeugt wäre, und verändert die Impedanz der Lastwicklung 80, so daß die Amplitude der Lastspannung moduliert ist in Übereinstimmung mit dem Ausgang der Signalquelle 87.

In Fig. 14 ist ein Verstärker gezeigt unter Benutzung des variablen" Induktors gemäß vorliegender Erfindung. In dieser Schaltung ist die Lastwicklung 90 eines variablen Induktors 91 in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle 92 und einem Widerstand 93 geschaltet, wobei der Ausgang des Verstärkers über dem Widerstand 93 abgegriffen wird. Die Steuerwicklung 94 ■■ des variablen Induktors ist an die Signalquelle des Signals, das verstärkt werden soll, angeschlossen. Die Veränderungen der Wechselnußkomponente im Kern des Induktors 91, hervorgerufen durch die Schwankungen des Stromes, der durch die Spule 94 fließt, werden eine entsprechende Änderung der Induktanz der Wicklung 90 hervorrufen mit dem Ergebnis, daß eine Wechselspannung in der Wicklung 90 induziert wird, und die Spannung, die über dem Widerstand 93 erscheint, ist eine verstärkte Form der Eingangsspannung an der Wicklung 94. Man erkennt, daß, obwohl die Funktionen des Gleichstromes und des Wechselstromes in dieser Schaltung umgekehrt sind, das Grundprinzip der Arbeitsweise dasselbe bleibt. Die verschiedenen Joche des Kerns werden veranlaßt, ihre Permeabilität und Reluktanz zu ändern durch die Anwesenheit eines Wechselflusses. An Stelle der wechselnden Permeabilität und Reluktanz zur Ausnutzung der Veränderung einer mittleren Induktanz einer Wechselsiromwicklung ist hier Gebrauch gemacht von der^; 'Veränderung des Flusses, der mit der Gleichstromwicklung verknüpft ist und dadurch in ihr eine Spannung induziert. Diese Schaltung macht demgemäß von der Veränderung der Induktanz im Belastungskreis Gebrauch, um in die Ausgangswicklung einen Wechselstrom zu induzieren.

Die Fig. 15A, 15B und 15C zeigen schematisch verschiedene Kernformen, auf denen die Wicklungen so angeordnet sind, daß ihre Achsen sich nicht kreuzen. Es wird angenommen, daß die Lage der verschiedenen Joche oder gemeinsamen Bereiche in diesen Figuren offensichtlich ist und nicht einer ausführlichen Beschreibung bedürfen. Natürlich können· die Wicklungen auch auf den anderen gezeigten Kernformen nicht kreuzend gewickelt werden, falls dies gewünscht ist.

Wenn in den anliegenden Ansprüchen davon gesprochen wird, daß »der magnetische Kreis«, der von einer Wicklung umgeben ist, nicht gesättigt ist, so ist damit nicht beabsichtigt zu implizieren, daß alle Teile des Kerns ungesättigt bleiben. Weiterhin ist der Ausdruck »mittlere Induktanz« abwechselnd gebraucht worden und soll dasselbe meinen wie »effektive Induktanz«.

Die Erfindung kann auch durch andere bestimmte Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne vom Gedanken oder von der Hauptidee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die hier gebrauchten Ausführungsbeispiele werden deshalb als Beispiele und nicht als Beschränkungen angesehen, wobei der Schutzumfang der Erfindung ■ festgelegt werden soll durch die anhängenden Ansprüche und nicht durch die vorhergehende Beschreibung.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch steuerbare Induktoranordnung zur Steuerung der kontinuierlichen Übertragung elektrischer Energie mit einem Kern aus ferromagnetischem Material, einer ersten um den Kern gewickelten Spule, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, und einer zweiten um den Kern gewickelten Spule, die ah eine Gleichoder Wechselstromquelle angeschlossen und von der ersten Spule magnetisch entkoppelt auf dem Kern angeordnet ist, von welchen Spulen eine zur Steuerung der Energieübertragung über die andere mittels Beeinflussung der Reluktanz von beiden Spulen zugeordneten Kernzonen dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10; 25-26; 41; 32-38; 50; 60; 70; 81; 91) in an sich bekannter Weise zwei Jochteile (17-18; 25-26; 33-34) und vier die beiden Jochteile magnetisch koppelnde Kernzonen (13-14-15-16; 29-30-31; 47-48) aufweist und daß die Spulen (19-20; 27-28; 45-46; 53-54; 61-64; 71-75; 80-85; 90-94) so auf dem Kern angeordnet sind, daß die durch die Ströme in den Spulen gleich-

zeitig erzeugten Flüsse in einem Kernzonenpaar sich additiv und im anderen Kernzonenpaar subtraktiv überlagern.

2. Induktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule als ein Induktanzelement in einen gesteuerten Stromkreis geschaltet ist und daß die zweite Spule an eine Steuerstromquelle angeschlossen ist.

3. Induktoranordnimg nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstromquelle eine Gleichstromquelle ist. α #·

4. Induktoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Induktanzelement zur Ausbildung eines frequenzselektiven Schaltkreises ein Kapazitanzelement parallel geschaltet ist.

5. Induktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule in einen gesteuerten Gleichstromkreis geschaltet ist

und die erste Spule an eine Steuerstromquelle angeschlossen ist.

6. Induktoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte, magnetisch mit der zweiten Spule über den Kern gekoppelte Spule, von denen die dritte Spule die Ausgangsspule eines Energieübertragungskanals ist, dessen Eingangsspule die erste Spule ist.

7. Induktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule, an eine Steuergleichstromquelle angeschlossen ist und die erste Spule die Eingangsspule und die zweite Spule die Ausgangsspule eines Energieübertragungskanals sind.

8. Induktoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine vierte, magnetisch mit der ersten Spule über den Kern gekoppelte Spule, die an eine Gleichsiromvorspannungsquelle angeschlossen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen