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Eisenkern für Induktionsspulen. Die Erfindung betrifft einen neuen
Eisenkern für solche Induktionsspulen, die in der Schwachstromtechnik in Stromkreisen
für hauptsächlich schwache, schnell wechselnde Beeinflussungen angewandt werden,
`wie dies bei Pupinspulen, Transformatoren, Übertragungsspulen in Telephonstromkreisen
u. dgl. der Fall ist. Für solche Spulen werden bisher geschlossene Eisenkerne aus
dünnen Drähten oder Blechen angewendet, die zur Verminderung der Verluste durch
Wirbelströme mit einem isolierenden Überzug versehen sind. Es ist von größter Wichtigkeit,
daß die magnetischen Kreise solcher Spulen im Laufe der Zeit ihren magnetischen
Widerstand gegenüber den den genannten Beeinflussungen entsprechenden
schwachen,
schnell wechselnden Wechselfeldern und damit die elektrischen Konstanten, Selbstinduktion
usw. nicht ändern.
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Der magnetische Widerstand in einem geschlossenen Eisenkern von konstantem
Querschnitt ist:
wobei l den mittleren Kraftlinienweg in Zentimetern, A den Eisenquerschnitt in Quadratzentimetern
ausdrückt und M. die Permenbilität des Eisens darstellt.
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Wie bekannt, ist die Permeabilität des Eisens gegenüber schwachen,
schnell wechselnden Feldern (die reversible Permeabilität) von dem magnetischen
Zustand des Eisens stark abhängig. Untersuchungen mit geschlossenen Eisenkernen
aus schwedischem Holzkohleneisen mit reversibler Permeabilität M = etwa i io und
einer besonderen Sorte legierten Eisens mit reversibler Permeabilität x - etwa 28o
haben ergeben, daß eine magnetisierende Kraft von H - 3,7 c. g. s. bzw. Hl ==:2,8
c. g. s. Einheiten eine genügende Remanenz hinterläßt, um eine Abnahme der
reversiblen Permeabilität von etwa 5 Prozent und somit @dieselbe prozentuale Abnahme
der Selbstinduktion in beispielsweise einer Pupinspule zu geben. Es hat sich bei
Berechnungen und Versuchen ferner herausgestellt, daß Induktionsspulen mit geschlossenem
Eisenkern, um beispielsweise einen Gleichstrom von o, i Amp. durch die Spulenwicklungen
aushalten zu können, ohne größere Abnahme der reversiblen Permeabilität als 5 Prozent,
von dem remanenten Magnetismus des Eisenkerns herrührend,.mitweit größerem Eisenquerschnitt
und mit einer weit geringeren Anzahl Kupferwindungen pro Zentimeter :1Iittelkraftlinienweg
gebaut werden müssen, als es der am meisten wirtschaftlichen Spulenbauart entspricht.
Endlich können Spulen, die für. Signalstrom, Maßstrom, Starlcstrom, Überspannungen
usw. benutzt werden, weit stärkeren Strömen als o,i Amp. mit daraus folgenden weit
größeren Änderungen der Eigenschaften der Spulen ausgesetzt werden. Zur Abhilfe
des hier erwähnten Nachteils ist von mehreren Seiten vorgeschlagen worden, den Kern
an einer oder mehreren Stellen durchzuschneiden und Platten aus =magnetischem Material
zwischen die aneinandergrenzenden Trennflächen einzulegen. Versuche ergeben, daß
bloß ein einzelner derartiger Schnitt quer durch den Kern und von einer solchen
Breite, daß er den magnetischen Widerstand des ganzen Kreises um etwa 5 bis io Prozent
vergrößert, auf Grund der starken -Entmagnetisierung vom Schnitt im hohen Grad -die
Widerstandsfähigkeit des Kerns gegenüber magnetisierenden Kräften vergrößert, so
daß derselbe bei einer Remanenz, entsprechend einer Verminderung der reversiblen
Permeabilität #t von 5 Prozent, eine von der Koerzitivkraft des Eisens abhängige,
weit höheremagnetisierende Kraft verträgt als der vollständig geschlossene Kern.
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Sei es, daß man eine oder mehrere solcher vollständigen Öffnungen
im Kern verwendet, so gibt dies zu Streufeldern Anlaß, die sowohl unerwünschte Induktionswirkungen
zwischen verschiedenen Stromkreisen und in Telephonstromkreisen ein vergrößertes
Überhören verursachen oder Wirbelströme in irgendwelchen in der Nähe liegenden Metallmassen,
beispielsweise in gegebenenfalls magnetischen Schirmen, die um die Spulen angeordnet
sind, um das Überhören. zu vermindern, induzieren können.
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Bei der Anwendung einer einzelnen vollständigen Öffnung im Kern entsteht
bei Spulen für Telephonstromkreise eine Vergrößerung des Überhörens, die wahrscheinlich
reiner elektromagnetischer Natur ist, während bei Anwendung mehrerer derartiger
Öffnungen, wodurch der Kern in mehrere 'getrennte Teile geteilt wird, sofern dieselben
nicht Überall in gegenseitig elektrisch leitende Verbindung gebracht werden, j e
nach der Art und Anbringungsweise der Spulenwicklungen gegenüber den Öffnungen zugleich
eine Vergrößerung des Überhörens von rein elektrostatischer Natur erzeugt werden
kann.
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Ferner wird das Ausführen des Schnittes durch den ganzen Kernquerschnitt,
beispielsweise mittels Sägens, veranlassen können, daß die Schnittflächen, die aus
überschnittenen dünnen Drähten oder Blechen bestehen, große zusammenhängende, elektrisch
leitende Flächen bilden, die von dem ganzen oder einem beträchtlichen Teil des Wechselfeldes
der Spule geschnitten werden und merkbare Wirbelströme und Vergrößerungen des effektiven
Widerstandes der Spule veranlassen.
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Endlich ist man bei der Anwendung der obengenannten einzelnen oder
mehreren vollständigen Schnitte durch den ganzen Kernquerschnitt in der Regel darauf
angewiesen, zum. Zusammenhalten der Kernteile mechanische Spannvorrichtungen zu
benutzen, um einen unveränderlichen, nicht zu großen Abstand zwischen den beiden
Trennflächen des einzelnen Schnitts zu erreichen. Solche Spannvorrichtungen müssen
gewöhnlich aus Metall hergestellt werden und können dann zu Wirbelstromverlusten
mit daraus folgender Vergrößerung des effektiven Widerstandes der Spulen Anlaß geben,
während sie gleichzeitig eine Verteuerung der Spule mit sich bringen, und zwar teils
unmittelbar wegen ihrer Herstellung
und Anbringung und teils indirekt,
indem sie Raum beanspruchen und eine größere Spule ergeben.
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Der Eisenkern nach der Erfindung ist von einer derartigen Beschaffenheit,
daß demselben jeder Entmagnetisierungskoeffizient gegeben werden kann, und zwar
je nach denjenigen Forderungen, die man an die Unveränderlichkeit der reversiblen
Permeabilität des Eisens steilt, während man bei dem neuen Kern gleichzeitig imstande
ist, sämtliche obengenannten Nachteile bei den bisherigen Kernen zu vermeiden öder
sie doch in hohem Grade zu vermindern.
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Die Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt, in denen Abb. i
bis 5 fünf verschiedene Ausführungsformen von Kernbestandteilen oder Elementen im
Schnitt zeigen, von denen erfindungsgemäß zur Herstellung eines Spulenkerns eine
gewisse Anzahl nebeneinander angebracht wird. Abb. 6 bis 13 zeigen verschiedene
Arten, in denen solche Elemente mit Aussparungen oder Schlitzen versehen werden
können. Abb. 14 und 15 zeigen in Endansicht und Schnitt eine Ausführungsform
eines aus Elementen hergestellten Kerns, und Abb. 16 und 17 stellen in Vorderansicht
und Schnitt eine Form von ausgeschnittenen Elementen -dar, die zur Bildung eines
Kerns um einander herum angeordnet werden. Abb. 18 stellt einen Schnitt durch eine
andere Form eines ausgeschnittenen Elements derselben Type dar. Abb. i g zeigt einen
Schnitt durch einen Kern, der aus Elementen der in Abb. 17
oder 18 gezeigten
Art hergestellt ist.
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Der Kern nach der Erfindung kann mit Vorteil aus ringförmigen oder
zylindrischen Elementen zusammengebaut werden, die alle oder mit wenigen Ausnahmen,
wie es nachstehend angegeben werden soll, mit je einer oder mehreren teilweisen
Durchschneidungen des Querschnitts versehen sind und derart gegenseitig angeordnet
sind, daß die teilweisen Ausschnitte des einzelnen Elements gegenüber den teilweisen
Ausschnitten oder Off nungen in dem benachbarten Element versetzt sind. Infolge
dieser teilweisen Durchschneidungen oder Aufschlitzungen der einzelnen Elemente
und deren gegenseitigen Anbringungsweisen müssen die Kraftlinien des Kerns in ihren
geschlossenen Bahnen zum größten Teil eine kurze Strecke von unmagnetischem Material
durchlaufen, um die nötige Entmagnetisierungskonstante für den Kern zu erreichen,
und diese Strecken in dem einzelnen Element werden durch die Nachbarelemente und
durch die undurchschnittenen Fasern in dem betrachteten Element im Nebenschluß magnetisch
geschlossen, so daß man die Streufelder, die außerhalb der Oberfläche der Kerns
verlaufen, und die damit verknüpften Nachteile vermeidet oder in genügendem Grad
vermindert.
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Jedes der Elemente selbst besteht aus mehreren Schichten oder Windungen
von dünnem Eisenblech oder Eisendraht, der mit Lack oder einem anderen geeigneten
Isoliermaterial überzogen ist.
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Abb. i zeigt ein Kernelement, das aus zusammengepreßten dünnen, kreisringförmig
ausgestanzten Blechen besteht. Ein derartiges Element wird jedoch unter sonst gleichen
.Verhältnissen zu kräftigeren Wirbelströmen als das Element nach Abb. 2, das aus
einem Blechstreifen aufgespult ist, Anlaß geben. Endlich zeigen Abb. 3, a. und 5
drei verschiedene Formen von aus dünnem Draht aufgespulten Elementen.
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Elemente der Form nach Abb. i, 2 und -3 können zu Kernen mit rechtwinkligem
Querschnitt gemäß Abb. 14 und 15 gesammelt -werden, indem diese Elemente denselben
inneren und äußeren Durchmesser haben. Alle Elemente der in Abb. i bis 5 gezeigten
Art müssen für die Herstellung von Kernen nebeneinander angebracht werden, und es
können aus solchen Elementen Kerne von jeder gewünschten Querschnittform hergestellt
werden.
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In Abb. 16, 17 und 18 ist eine andere Sorte von Elementen dargestellt,
die durch Aufspulen von dünnem Draht oder Blechstreifen hergestellt sind, und die
bei der Herstellung von Kernen außen aneinander angebracht werden, wobei der äußere
Durchmesser von jedem Element ungefähr dieselbe Größe hat als der innere Durchmesser
des nächstfolgenden größeren Elements. In Abb. i9 ist ein Kern mit rechtwinkligem
Querschnitt und aus derartigen Elementen derselben Länge bestehend, dargestellt.
Durch Anwendung besonderer Formen solcher Elemente, die umeinander angeordnet werden,
kann man Kerne von jeder beliebigen Querschnittsform herstellen.
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Endlich kann man Kerne durch Vereinigung der beiden Sorten von Elementen
herstellen. In Abb. i9 kann man beispielsweise alle Elemente mit Ausnahme des äußeren
oder des inneren oder des äußeren und des inneren, durch eine Gruppe von den in
Abb. i bis 5 gezeigten Elementen ersetzen, die in der in Abb. 15 gezeigten
Weise zusammengestellt sind. Die in Abb. i9 gezeigte Gruppe von umeinander angebrachten
Elementen von derselben Länge kann ferner mit an beiden Enden angebrachten Elementen
der in Abb. i, 2, 3, 4. oder 5 gezeigten Art vereinigt werden.
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Erfindungsgemäß sind alle Elemente oder alle Elemente mit wenigen
Ausnahmen, mit teilweisen Aussparungen oder Schlitzen versehen. Abb.6 bis 9 zeigen
brauchbare teilweise
Durchschneidungen von oder Ausschneidungen
in allen den in Abb. i bis 5 gezeigten Elementen. Abb. 1o bis 13 zeigen Ausschneidungen
hauptsächlich für Elemente der in Abb. i gezeigten -Art. Die in Abb. 6, 7,
10
und 12 gezeigten Ausschneidungen sind hauptsächlich nach den Meridianebenen
der Elemente gerichtet, während die in Abb. 8, g, 11 und 13 gezeigten Ausschneidungen
einen angemessenen großen Winkel bilden. Abb. 6 bis 11 zeigen teilweise Durchschneidungen
oder Offnungen (b, c, e, f, g und 1a). Man kann von derartigen Öffnungen
eine oder mehrere nach Wunsch anwenden. Es sind somit in Abb. 12 und 13 drei Aussclinei-dungen
i und k der in Abb. io und i i bei g und h gezeigten Art dargestellt.
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Bei dem Zusammenstellen der Elemente zu Kernen werden die teilweisen
Ausschneidungen des einzelnen Elements den teilweisen Ausschneidungen oder Öffnungen
der Nachbarelemente gegenüber versetzt. In Abb. 14 und 15 ist somit ein aus sechs
Elementen bestehender Kern dargestellt mit je einer in Abb. 6 bei b gezeigten Öffnung,
die, wie in Abb. i.t angedeutet ist, von' Element zu Element über den ganzen Umkreis
des Kerns gleichmäßig verteilt versetzt ist; die Öffnungen können jedoch nach Wunsch
mehr oder weniger gegenseitig versetzt werden.
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Bei der Anwendung der in Abb. 16, 17 und' 18 gezeigten Elemente, die
für die Herstellung von Kernen umeinander herum angebracht werden, werden ebenfalls
eine oder mehrere teilweise Ausschneidungen in oder Durchschneidungen von dem Querschnitt
in allen Elementen oder in allen Elementen mit Ausnahme des äußeren oder inneren
Elements des Kerns vorgenommen. Man kann mit Vorteil eine der in Abb. 17 und 18
gezeigten Ausschneidungen oder Öffnungen za und o anwenden, die sich über den ganzen
Querschnitt des Elements mit Ausnahme der äußersten Fasern an beiden Enden erstrecken,
und die ungefähr nach der Erzeugenden des zylindrischen Elements, wie in @Abb. 17
bei za gezeigt, gerichtet sind oder einen angemessenen Winkel damit bilden, wie
dies in Abb. 18 bei o dargestellt ist. Von solchen Ausschneidungen kann man je nach
Wunsch eine oder mehrere verwenden, derart aber, @daß die Ausschneidungen oder Öffnungen
in dem einzelnen Element nicht gegenüber den Ausschneidungen oder Öffnungen der
Nachbarelemente sitzen.
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Man sieht, daß die teilweisen Ausschneidungen oder Öffnungen bei den
hier beschriebenen Kernen nicht nur durch die umgebenden Elemente von magnetischem
Nebenschluß angeordnet sind, sondern auch durch die nicht durchschnittenen Fasern
in dem betrachteten Element. Eisenkernen, welche in der hier beschriebenen Weise
hergestellt sind, kann jede gewünschte Entmagnetisierungskonstante gegeben werden,
indem man je nach Wunsch sowohl den Abstand zwischen den an den Ausschneidungzn
erzeugten einander gegenüberliegenden Schnittflächen in dem einzelnen Element, wie
auch die Nebenschlußwirkung, die von den umgebenden Elementen und den uridurchschnittenen
Fasern an den Ausschneidestellen hervorgerufen wird, verändern kann. Die von den
umgebenden Elementen herrührende Nebenschlußwirkung hängt teils von den Abmessungen
des Elementenquerschnitts, die nach Wunsch verändert werden können, und teils von
den Abständen der umgebenden Elemente von dem betrachteten Element an der Durchschneidungs-
oder Ausschneidungsstelle ab, welche Abstände mittels passender Einlagen zwischen
den Elementen oder in anderer Weise geregelt werden können, bevor die Elemente mittels
eines Bandes o. dgl. zu einem Kern verbunden werden, wie ein solches auch an gewöhnlichen
Kernen für Isolationszwecke benutzt wird. Die Nebenschlußwirkung der nicht durchschnittenen
Fasern hängt von deren Querschnitt ab, der ebenfalls nach Wunsch verändert werden
kann. Ferner hängt die Nebenschlußwirkung davon ab, wieviel die teilweise Öffnung
des einzelnen Elements gegenüber den teilweisen Öffnungen der Nachbarelemente versetzt
ist. Endlich hat die Anbringung von Elementen ohne Ausschneidungen auch auf die
Entmagnetisierungskonstante des Kerns Einfluß, und zwar derart, daß dieser Einfluß
von der Anbringungsweise und den Abmessungen dieser Elemente, die auch nach Wunsch
verändert werden können, abhängt.
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Die von dem Fern ausgesandten Streufelder, die außerhalb der Oberfläche
des Kerns verlaufen, und die zum Überhören u. dgl. elektromagnetischen Ursprungs
Anlaß geben kön-Lien, sind von denselben Faktoren abhängig, die für die Entmagnetisierungskonstante
des Kerns bestimmend sind. Bei den bisher gebräuchlichen Kernen mit einer oder mehreren
Durchschneidungen des ganzen Kerndurchschnitts kann man sowohl die Entmagnetisierungskonstante
als die außerhalb der Kernoberfläche verlaufenden Streufelder nur dadurch verändern,
d'aß man den Abstand oder die Summe der Abstände zwischen den beiden einander zugekehrten
Schnittflächen der einzelnen Durchschneidungen verändert, so daß ein Kern mit großer
Entmagnetisierungskonstante auch starke Streufelder ergibt. Versuche haben aber
gezeigt, daß man bei dem vorliegenden neuen Kern eine sehr wesentliche Vergrößerung
der Entmagndtisierungsfähigkeit des Kerns im Vergleich zu bisher angewendeten
Kernen
erreichen kann, ohne daß eine Vergrößerung der ausgesandten Streufelder nachzuweisen
wäre, welcher Umstand selbstverständlich für die Anwendung des neuen Kerns sehr
bedeutungsvoll ist.
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Durch Aufschlitzen und Anbringen der einzelnen Elemente nach den oben
beschriebenen Weisen, besonders mit den schrägen Aufschlitzungen, vermeidet man
zugleich oder vermindert man in hohem Grad, wie unmittelbar ersichtlich, die Möglichkeit
der Bildung von merkbaren Wirbelströmen, wie dieselben in großen zusammenhängenden
elektrisch leitenden Flächen vorkommen können, die bei der Ausführung von Schnitten
durch den ganzen Kernquerschnitt entstehen können.