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Selbstinduktionsspulenpaar zur Belastung duplizierbarer Viereradern
von Fernsprechkabeln nach dem Pupinsystem. In dem deutschen Reichspatent 28g=43
ist eine Anordnung von Selbstinduktionsspulen für duplizierbare Fernsprechdoppelleitungen
beschrieben, durch die es möglich sein soll, mit demselben Spulenpaar. zugleich
zwei Stammleitungen und die aus diesen gebildete Duplex:eitung mit Selbstinduktion
zu belasten, ohne daß die Spulen Induktionsstörungen zwischen benachbarten Leitungen
verursächen. Die Ausführung solcher Spulen hat aber gezeigt, daß. tatsächlich Streufelder
entstehen, die, obzwar schwach, doch n'cht schwach- genug sind gegenüber der großen
Indukticsnsempfindlichkeit der in Betracht kommenden Stromkreise. Es handelt sich
dabei um störende Streufelder zweierlei Art: um innere Streufelder, die innerhalb
. des Spulenpaares verlaufen und daher Induktionsstörungen zwischen den beiden Stammleitungen
bzw. zwischen. diesen und der Duplexleitung verursachen, und um äußere Streufelder,
die in- Nachbarspulenpaare übertreten und dadurch benachbarte Leitungen stören.
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In Fig. i ist der Bezeichnungsweise wegen ein solches Spulenpaar dargestellt;
das zur Belastung einer aus zwei Stammleitungen gebildeten Viererader dient. Spule
i belastet die Stammleitung a. b; Spule 2 die Stammleitung c, d. Durch das in der
Duplexschaltung in den beiden in Wirklichkeit aufeinanderliegenden Spulen entstehende
gemeinsame Feld wi_d die Duplexleitung a; b, c, d belastet. Die Spulen sind
bekanntlich so gewickelt, daß je eine urn die Hälfte eines ringförmigen Eisenkerns
gelegte Wicklung in einen Zweig einer Stammleitung eingeschaltet' ist, -derart,
daß der Eisenkern von den in den Zweigen der Stammleitung in entgegengesetzter Richtung
fließenden Strömen ohne Pole magnetisiert wird, während durch die in den Zweigen
der Stammleitungen je- gleichgerichteten Ströme der. Duplexschaltung an den Stoßstellen
N, S
der Wicklungen- Pole erzeugt" werden. Dadurch, daß die, beiden Spulen
so aufeinandergelegt sind, daß ungleichnamige Pole aüfeinanderliegen, tritt das
Duplexfeld von einer Spule zur andern über. Es verläuft in jeder Spule von Polsteile
zu Polstelle, indem es sich in zwei gleich starken Teilen auf die Spulenhälften
verteilt. Die dadurch in den Wicklungshälften der Stammleitungen induzierten Spannungen
sind bei-.genauer Abgleichung der Wicklungen gleich und so gerichtet, daß sie sich
für die Stammleitungen, aufheben. Diese bleiben daher von dem Duplexfeld unbeeinflußt.
Für das.Duplexfeld liegt der weitaus größte Teil des magnetischen Widerstandes in
den Übergangsstrecken von einer zur andern. Spule. Um dem Duplexfelde die erforderliche
Stärke zu geben, werden daher nach einem i bekannten -Vorschlage (Patent 288342)
diese Übergänge durch entsprechend dimensionierte eiserne Stege überbrückt. Damit
diese Stege angebracht werden können, dürfen die Eisenkerne da, wo sie durch die
Stege verbunden i werden sollen, nicht von der Wicklung bedeckt sein. Die Wicklungshälften
müssen daher verkürzt werden.
Dies ist eine der Ursachen für die
obenerwähnten inneren Störungsfelder. Dadurch nämlich, daß die Wicklungshälften
nicht mehranstoßend gewickelt sind, ist die Bewicklung der Spulenkerne keine kontinuierliche
mehr, sondern sie ist aufgelöst in zwei vone:nander_ getrennte Solenoide mit halbkreisförmiger
Achse. Diese Solenoide magnetisieren zwar den Eisenkern nach wie vor pollos, sie
selbst bilden aber wenn auch nur sehr schwache -Pole, von denen aus rings um den
Wicklungsumfang magnetische Streulinien in der. Luft verlaufen, wie in Fig. z" für
eine Ebene durch die Linien s angedeutet ist. Sind zwei derartige Spulen, wie in
vorliegendem Falle die beiden durch Stege verbundenen Spulen, dicht benachbart,
so treten diese Streulinien in die Wicklungshälften der benachbarten Spule ein .und
induzieren in diesen elektromotorische Kräfte, die so gerichtet sind, daß sie sich
in der Stammleitung addieren und daher Übersprechen zwischen den beiden Stammleitungen
verursachen.
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Eine zweite Ursache innerer Störungsfelder ergibt sich aus Folgendem.
Wenn die magnetischen Widerstände der Kernhälften einer Spule- und die von den Wicklungshälften
erzeugten magnetomotorischen Kräfte genau gleich sind, tritt,. wenn die Spule von
Stammleitungsströmen -durchflossen wird, durch die Stege kein magnetisches Feld
in die andere Spule über. Praktisch ist aber vollkommene Gleichheit nicht zu erreichen:
Zunächst, weil eine Abgleichung auf Bruchteile einer Windung (die meistens erforderlich
wäre) nicht möglich ist, und dann, weil die Ströme -in den beiden Zweigen
der Stammleitung infolge der kleinen Kapazitätsunterschiede der einzelnen Adern
nicht genau gleich stark: sind. Tatsächlich sendet daher die eine Stammleitung ein
Streufeld durch die Stege in die Spule der andern Stammleitung. Dieses Streufeld
verteilt sich auf die Hälften dieser Spule entsprechend den magnetischen Widerständen
ihrer Kernhälften und induziert in deren Wicklungen elektromotorische Kräfte, die
in beiden Zweigen der Stammleitung dieser Spule gleiche Richtung haben. Da sie unter
sich annähernd gleich sind, heben sie sich somit zwar in ihrer Wirkung auf die Stammleitung
ungefähr auf, erzeugen dagegen einen Strom in der Duplexleitung. Durch c`lie Stege
entsteht daher Mitsprechen der Duplexleitung aus den Stammleitungen.
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Um diese Störungsfelder unschädlich zu machen, kann ihre Vernichtung
durch Wirbelstrombildung in eisernen oder allgemein metallenen Schutzhüllen nicht
in Betracht kommen, weil auch die Störungsfelder von den Nutzströmen erzeugt werden
und daher durch die Wirbelströme der wirksame Widerstand der Spulen erhöht würde.
Im Falle des zweiten Störungsfeldes würde eine solche Abschirmung ohne eine Beeinträchtigung
des Duplexfeldes auch kaum möglich. sein. Die Entstehung der Störungsfelder zu verhindern,
ist gleichfalls unmöglich. Erfindungsgemäß wird deshalb so vorgegangen, daß - die
Störungsfelder, ohne daß-dadurch die nutzbaren Felder beeinträchtigt werden, wirbelstromfrei
so abgelenkt werden, daß sie in die zu schützende Spule nicht oder.nur in verschwindendem
Maße eintreten.
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Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die nachfolgend beschriebene
und in Fig. 3 dargestellte neue Anordnung. Bei ihr sind die beiden Spulen in gleicher
Weise, wie oben beschrieben, zueinander orientiert. Sie sind aber durch die Stege
nicht mehr direkt miteinander verbunden, sondern befinden sich beiderseits einer
ringförmigen Scheibe Z aus unterteiltem Eisen und stehen nun mit dieser durch Stege
in magnetischer Verbindung.
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Durch diese Anordnung wird zunächst an den nutzbaren Feldern nichts
geändert. Für die Stammleitungen ist dies ohne weiteres klar. In der Duplexschaltung
stehen sich die Spulen an den Stegstellen mit Polen gleicher Stärke aber ungleichen
Vorzeichens gegenüber. Für sich allein würde daher jede Spule ein Feld in der Scheibe
erzeugen;- das, von Stegstelle zu Stegstelle in zwei Teilen durch die Scheibenhälften
verlaufend, dem der anderen Spule gleich aber entgegengerichtet wäre. Tatsächlich
entsteht daher kein derartiges Feld. Die Scheibe wird nur an den Stegstellen von
dem Duplexfeld durchsetzt, ohne aber einen nnagnetischen Nebenschluß für dieses
zu bilden. Das Duplexfeld fließt somit nach wie vor ausschließlich durch die beiden
Spulen. Dies ist von Bedeutung, da die Gemeinsamkeit des Duplexfeldes für beide
Spulen die Gewähr ist, daß auch bei verschiedenem-Altern der beiden Spulenkerne
die Selbstinduktionsbelastung der Duplexzweige merklich gleich bleibt.
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Während somit die Scheibe für die Nutzfelder keine Änderung bedingt,
ist dies anders bei den Störungsfeldern. Die bisherige Bahn der von den Wicklungspolen
ausgehenden Luftstreuhnien wird nun, bevor sie die Wicklungen der anderen Spulen
erreicht, von der Scheibe Z durchschnitten, die einen Weg weit geringeren magnetischen'
Widerstandes darbietet als die Luft. Auf ihm ist das magnetische Potentialgefälle
des Streufeldes so gering, daß nur ein verschwindender Teil des Feldes von ihm abzweigt
und in die andere Spule eintritt. Ebenso findet das andere innere Störungsfeld,
das bisher durch die Stege von der einen zur anderen Spule übertrat, nun über-die
Scheibenhälften einen Ausgleichsweg weit geringeren magnetischen Widerstandes
als
durch die hinter der Scheibe liegende Spule, wo das Stegepaar dieser Spule mit seinen
vier Stoßstellen den größten Teil des Widerstandes bildet. An .diesem Ausgleich
durch die Scheibe ist das Streufeld im Gegensatz zum Duplexfeld nicht durch -eine
Gegenwirkung der andern Spule gehindert, da es nur durch die störende Spule allein
erregt wird.
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Damit die beschriebene Schutzwirkung eintritt, muß die Scheibe den
Spulenquerschnitt in der Höhenrichtung nach außen und innen genügend überragen,
um den bisher zwischen den beiden Spulen- verlaufenden Teil des Luftstreufeldes
abzufangen; außerdem muß- sie durch entsprechende Dicke genügend kleinen magnetischen
Widerstand bieten. In Fig.3 sind Spulen, die von der Erfinderin ausgeführt wurden,
in richtigen Maßverhältnissen dargestellt, die beispielsweise 'für ein Spulenpaar
genügen, durch das die Stammleitungen mit o,16 Henry unddie Duplexleitung mit
0,05 Henry belastet werden. Die .Scheibe ist dabei aus -gleichem -Material
wie die Spulenkerne hergestellt.
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Damit die in die Scheibe abgelenkten Störungsfelder praktisch wirbelstromfrei
sind, muß die Scheibe in solchem Grade unterteilt sein, daß der wirksame Widerstand
der Spulen in beiden Schaltungen keine merkliche Zuriahme durch das Vorhandensein
der Scheibe aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die -Unterteilung in einer für den Zusammenbau
der -Spulen besonders geeigneten Weise dadurch erreicht; daß die Scheibe, wie in
Fig: 3 im Schnitt angedeutet, aus dünnem Eisenband unter Verwendung eines klebenden
Lackes aufgewickelt ist. Äußeres und inneres Ende- des Bandes sind durch Verlöten
oder Vernieten mit der Scheibe befestigt. Es können aber natürlich auch ändere Formen
der Unterteilung, wie z. B. Aufwickeln aus dünnem Draht, zur Anwendung kommen.
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Die zu Beginn der Beschreibung der bisher bekannten Spulenanordnung
als störende Streufelder zweiter Art hervorgehobenen sind die äußeren Störungsfelder.
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Sie entstehen durch die in der Duplexschaltung auftretenden magnetischen
Pole. Dadurch, daß die beiden Spulen -mit ungle-chnamigen Polen aufeinandergelegt
und an den Polstellen durch eiserne Stege verbunden sind; soll zwar durch die gegenseitige
Aufsaugung der beiden Spulenfelder "das entstehende Duplexfeld vollständig in dem
so gebildeten geschlossenen Eisenpfad verlaufen. Tatsächlich entstehen aber, wie
Versuche gezeigt haben, doch Streulin'en in der Luft, die noch inrecht beträchtlicher
Entfernung von dem Spulenpaar Induktionsstörungen in anderen Spulenpaaren desselben
Kastens verursachen. Der Verlauf dieser Streufelder ist in Fig. 3 durch die Linien
s angedeutet. Sie sind hauptsächlich auf die durch die Längsachse der Spulenstege
gelegt zu denkende. Ebene (die Zeichenebene des Schnittes in Fig. 3) und
deren Nachbarschaft syrrimetrisch konzentriert.
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Da auch diese Streufelder vom Nutzstrom erzeugt werden; so kommen,
um sie unschädlich zu machen, die gleichen Gesichtspunkte in Betracht wie bei den
innern Streufeldern. Auch sie müssen, ohne daß dadurch das- Duplexfeld merklich
beeinflußt wird, wirbelstromfrei so abgelenkt werden, daß sie in benacbbarte Spulenpaare
nicht oder nicht merklich eintreten.
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Nach der Erfindung geschieht dies durch die in ' Fia. q. dargestellte
neue Anordnung. S?e ist gekennzeichnet durch einen Rahmen geringen magnetiscl_en
Widerstandes aus unterteiltem Eisen, der das Spulenpaar in Richtung der Streufeldebene
und symmetrisch zu dieser unter Einhaltung eines Luftzwischenraumes umgibt und von
solcher Höhe ist, daß er die Polstellen der Spulen überdeckt. Der Rahmen nimmt,
da er die außerhalb seines Umfangs gelegenen Teile .der bisherigen Streufeldbahnen
durch Strecken weit geringeren magnetischen Widerstandes ersetzt, diese Teile der
Streufelder in sich- auf und bringt sie auf diesen Strecken mit so kleinem magnetischen
Potentialgefälle zum Ausgleich, daß nur eine verschwindende Anzahl Streulinien von
ihm nach außen abzweigt. Dazu muß er, wie erwähnt, die Polstellen der 'Spulen in
genügender Breite überdecken und durch entsp7echenden Querschnitt genügend kleinen
magnetischen Widerstand besitzen. Andererseits darf durch die Verkleinerung des
magnetischen Widerstandes von Teilen der Streufeldbahnen der Fluß der Streufelder
nicht allzu merklich verstärkt werden; zunächst wegen des geförderten kleinen-magnetischen
Potentialgefälles im Rahmen und ferner; weil die Streufelder, auch wenn sie außerhalb
des Rahmens beseitigt sind, noch dadurch nachteilig sind, daß sie Teile des Duplexfeldes
bilden, die nicht durch beide Spulen gemeinsam fließen. Eine Verstärkung der Streufeldflüsse
würde diese unerwünschten Teile des Duplexfeldes vergrößern. Der magnetische Gesamtwiderstand
der Streufeldbahnen rnuß daher trotz des Rahmens genügend groß bleiben. Dies bleibt
er durch die Luftstrecken, die innerhalb des Rahmens zwischen diesem und den Spulenpolen
in den Streufeldpfaden liegen. Der Rahmen darf deshalb die Spulenpole nicht dicht,
sondern nur unter Einhaltung eines genügenden Luftzwischenraumes -umschließen. Geeignete
Maßverhältnisse ergeben sich beisp:elsweise aus Fig. q., in der für das Spulenpaar
der Fig. 3 ein von der Erfinderin ausgeführter Rahmen
dargestellt
ist. Die Unterteilung des Rahmens muß von solchem Grade sein, dafi der wirksame
Widerstand des Spulenpaares in Duplexschaltung keine in Betracht kommende Zunahme
aufweist. Eine vorteilhafte Herstellungsweise des Rahmens besteht erfindungsgemäß
darin, daß der Rahmen aus dünnem Eisendraht unter Verwendung eines klebenden Lackes
aufgewickelt Lind dann, solange er noch weich ist, in die in Fig. q. gezeichnete
Form gepreßt wird.