DE554399C - Elektrischer Transformator - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
7.JULI1932

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 554399 KLASSE 21 a 4 GRUPPE

George W. Pierce in Cambridge, Mass., V. St. A. Elektrischer Transformator

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Februar 1928 ab

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Transformator und seine Anwendung bei einem Oszillator zur Erzeugung elektrischer Schwingungen. Der Transformator besteht aus einem auf der Erscheinung der Magnetostriktion beruhenden Vibrator, der sich über die beiden zu koppelnden Spulen erstreckt und durch seine mechanischen Schwingungen Energie vom Eingangskreis auf den

ίο Ausgangskreis überträgt. Der Unterschied zwischen einem solchen Transformator und den üblichen Transformatoren besteht im wesentlichen darin, daß bei ihm der Kern durch die Wirkung der Magnetostriktion frei zu schwingen vermag, so daß eine elektrische magnetomechanischeEnergieübertragung stattfindet. Ein solcher auf der Erscheinung der Magnetostriktion beruhender Transformator zeichnet sich durch seine große Selektivität aus. Es wird dann durch ihn ein Energiemaximum übertragen, wenn Resonanz zwischen seiner Eigenfrequenz und der Frequenz des Stromes der Kreise besteht, die er miteinander koppelt.

Das vornehmste Anwendungsgebiet des magnetostriktiven Transformators gemäß der Erfindung ist die Rückkopplung von Stromkreisen bei einem Oszillator zur Erzeugung elektrischer Schwingungen. Durch Rückkopplung von Oszillatoren mittels eines Transformators gemäß der Erfindung kann man elektrische Schwingungen im Bereich von einigen hundert bis mehr als dreihunderttausend Hertz erzeugen. Die Konstanz der Frequenz ist beim Erfindungsgegenstand weit-. aus besser als bei piezoelektrischen Oszillatoren. Weiterhin haben Oszillatoren gemäß der Erfindung gegenüber piezoelektrischen Oszillatoren den großen Vorteil, daß ihreHerstellung und Abstimmung weitaus einfacher ist. Die Frequenz des magnetostriktiven Vibrators läßt sich offenbar durch einfache mechanische Bearbeitung, wie Abfeilen, Abdrehen, Hinzufügung von kleineren oder größeren Gewichten, etwa durch elektrolytische Behandlung usw., in den erforderlichen Grenzen auf einfachste und äußerst genaue Weise ändern. Besonders wertvoll ist der Oszillator gemäß der Erfindung für Frequenzen unter fünfundzwanzigtausend Hertz, bei denen piezoelektrische Oszillatoren wegen der Kosten der erforderlichen großen Kristalle unzweckmäßig sind.

Die Anwendung von magnetostriktiven Vibratoren in Verbindung mit rückgekoppelten Oszillatoren ist nicht neu. Zu dem Zweck, mechanische Schwingungen bzw. Töne in der Frequenz eines Röhrenoszillators zu erzeugen, hat man durch die Anodenspule eines solchen Oszillators einen magnetostriktiven Vibrator zum Schwingen gebracht, diesen aber nicht sich über beide Rückkopplungsspulen erstrekken lassen bzw. durch beide Rückkopplungsspulen des Oszillators hindurchgesteckt. Demnach trat bei der bekannten Einrichtung auch nicht die den Oszillator gemäß der Erfindung

kennzeichnende hohe Konstanz der Frequenz auf.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar is Fig. ι eine Vakuumentladeröhre in Oszillatorschaltung,

Fig. 2 eine Oszillatorschaltung mit Verstärker,

Fig. 3 ein durch zwei Röhren gebildeter ίο Oszillator, und die Fig. 4 und 5 sind zwei Ausführungsformen von Vibratoren.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der als Vibrator dienende magnetostriktive Kern 2 zwischen dem Lagerbock 6 und der Schraube 8 in seiner Mitte eingespannt, so daß er frei Longitudinalschwingungen ausführen kann. Die Einspannstelle bleibt hierbei in Ruhe. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 und 3 ruht der Vibrator 2 lose auf dem Lagerbock 6.

Der Fig. 1 zufolge liegen im Anodenkreis der Vakuumröhre 30 die Batterie 18 und die Spule 22. Im Stromkreis der Steuerelektrode, nämlich des Gitters 32, liegt die Spule 24. Eines ihrer Enden ist an das Gitter 32 und das andere an die Glühkathode 26 angeschlossen. Der Vibrator 2 ist durch die beiden Spulen 22, 24 hindurchgesteckt. Die Anode 28 kann mit dem Gitter 32 über einen Abstimmkondensator 34 verbunden sein. Ein solcher Kondensator kann stattdessen eine der beiden Spulen 22 bzw. 24 überbrücken. Die Anwendung eines Abstimmkondensators ist aber nicht unbedingt erforderlich. Die Batterie 18 dient nicht nur als Anodenbatterie, sondern auch zur Polarisierung des Vibrators 2. Die Spulen 22 und 24 werden zweckmäßig in entgegengesetztem Sinn gewickelt, wodurch man stärkere und stabilere Schwingungen erhält und unerwünschte Schwingungen durch rein magnetische Rückkopplung (im Gegensatz zu magnetomechanischer Rückkopplung) verhindert. Der Wicklungssinn der Spulen 22 und 24 ist demnach anders als bei den üblichen rückgekoppelten Oszillatoren.

Bei einem Oszillator gemäß der Erfindung sind zwei Betriebsfälle zu unterscheiden:

a) Der Oszillator kann an sich schwingen, und in diesem Fall dient der magnetostriktive Vibrator nur zur Konstanthaltung der Frequenz des an sich schwingungsfähigen Systems.

b) Es ist aber auch möglich, daß die Röhrenoszillatorschaltung ein an sich nicht schwingungsfähiges System darstellt und erst durch das Vorhandensein des magnetostriktiven Vibrators schwingungsfähig wird.

Zu a. Vor der Abstimmung des Röhrenoszillators auf die Eigenfrequenz des Vibrators schwingt ersterer, doch es werden dabei Frequenzschwankungen auftreten, wie bei jeder bekannten Rückkopplungsschaltung.

Der magnetostriktive Vibrator ist zunächst ohne Einfluß auf die Frequenz des Röhrenoszillators. Wenn der Röhrenoszillator derart abgestimmt wird, daß annähernd Frequenzgleichheit zwischen seiner Frequenz und der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Vibrators besteht, was bekanntlich etwa durch Verstellung eines Abstimmkondensators erfolgen kann, so wird der Röhrenoszillator die Frequenz des magnetostriktiven Körpers beibehalten. Nachdem dies der Fall ist, kann der Schwingungskreis des Oszillators in verhältnismäßig weiten Grenzen verstimmt werden, etwa durch Verstellung oder völlige Entfernung des Abstimmkondensators, ohne daß die Frequenz des Wechselstromes hierdurch merklich beeinflußt würde. Die Frequenz des Röhrenoszillators ist dann bedingt durch diejenige des magnetostriktiven Kerns. Dieser wirkt demnach als Frequenzstabilisator, d. h. er erhält die Frequenz des Oszillators praktisch konstant, und zwar auf einem seiner Eigenfrequenz gleichen Wert.

Zu b. Angenommen, daß der magnetomechanische Vibrator festgehalten ist, so daß er nicht schwingen kann. Das zunächst geforderte Nichtschwingen des Röhrenoszillators kann etwa dadurch erreicht werden, daß man als Gitter und Anodenstromkreiskopplungsspulen im entgegengesetzten Sinn gewickelte Spulen benutzt oder die beiden Spulen extrem lose koppelt (kleiner Wechselindüktionskoeffizient) oder daß man eine entsprechende Stellung des Abstimmkondensators wählt. Sobald man die Bremsung des magnetostriktiven Kerns löst, so daß er schwingen kann, wird die geringste seiner Bewegungen eine EMK in der Gitterkreisspule erzeugen. Hierdurch entstehen Stromänderungen in der Anodenkreisspule, die den magnetostriktiven Vibrator weiterhin deformieren, beispielsweise dehnen oder verkürzen. Die durch die Stromänderungen in der Anodenkreisspule bewirkte Deformation pflanzt sich zu dem Teil des Vibrators fort, der von der Gitterkreisspule umschlossen ist, bewirkt dort eine Änderung der Magnetisierung und folglich die Induktion einer weiteren EMK in der Gitterkreisspule. So setzt sich das Spiel fort, bis der magnetostriktive Vibrator u starken Schwingungen hinaufgeschaukelt ist. Die Erscheinung, daß man eine an sich nicht schwingungsfähige Röhrenoszillatorschal tung durch Rückkopplung mittels eines magnetostriktiven Vibrators zu starken Schwingungen bringen kann, läßt sich innerhalb gewisser Grenzen beobachten. Der eben erörterte zweite Fall, der als Fall des eigentlichen magnetostriktiv wirkenden Röhren-Oszillators zu bezeichnen wäre — im ersten handelt es sich, wie bereits gesagt, nur um

Frequenzstabilisierung eines an sich schwingenden Oszillators —, zeigt besonders deutlich die relativ weitgehende Unabhängigkeit der Frequenz des magnetostriktiven Körpers von den Kreiskonstanten.

In Fig. 2 sind für die Bauteile, die denen der Fig. ι entsprechen, die gleichen Bezugszeichen benutzt.

Die Schwingungen der Oszillatorschaltung

ίο gemäß Fig. 2 werden mittels des Kondensators 3/ der Röhre 36 zugeführt, die als Verstärker geschaltet ist und die Elektroden 44, 46 und 48 aufweist. Statt nur eine Verstärkerröhre anzuwenden, könnte man auch eine Verstärkerröhrenkaskade vorsehen. Die Batterie 18 liefert nicht nur den Anodenstrom der Röhre 30 und den Strom zur Vormagnetisierung des Vibrators 2, sondern auch den Anodenstrom der Verstärkerröhre 36. Deren Gitter 46 ist über den Gitterableitungswiderstand 50 und die Vorspannungsbatterie 52 mit dem Heizfaden 44 verbunden. Der Verbraucherapparat 38 ist durch den Transformator 40,42 induktiv mit dem Anodenkreis der Verstärkerröhre 36 gekoppelt. Die Primärspule 40 ist durch den Abstimmkondensator 54 überbrückt, der dazu dient, um beliebige harmonische Bestandteile des Stromes auszuwählen. Vor allem kommt Ab-Stimmung auf die Grundharmonische in Betracht.

Der Oszillator gemäß Fig. 3 besteht aus zwei Vakuumröhren und einem Transformator, dessen Vibrator den Kreis der Steuerelektrode der einen Vakuumröhre mit dem Anodenkreis der anderen Vakuumröhre koppelt.

Die Röhre 74 ist mittels einer Widerstandkondensatorkopplung 58, ^y mit der Verstärkerröhre 71 verbunden. Die Spule 70 liegt im Anodenkreis der Röhre 71, die Spule 73 hingegen im Gitterkreis der Röhre 74. Die Schwingungen werden durch das Zusammenarbeiten des magnetostriktiven A^ibrators 2 mit den beiden Röhren 71 und 74 erzeugt. Der Vibrator veranlaßt in der Spule 73, die im Gitterkreis der Röhre 74 liegt, Spannungsschwingungen in seiner Eigenfrequenz und erhält Impulse der gleichen Frequenz von der Spule 70 des Anodenkreises der Röhre 71. .\ icht gezeichnete Kondensatoren können zum Überbrücken einer jeden der beiden Spulen 70 und 7^ vorgesehen sein. Auch kann man den Anodenkreis der einen Röhre mit dem Gitterkreis der anderen Röhre über einen Kondensator verbinden.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 zeichnet sich durch große Empfindlichkeit aus und verhütet eine Überlastung der Röhren.

Will man größte Präzision erreichen, dann muß man den magnetostriktiven Vibrator jedem Einfluß entziehen, der eine Änderung seiner Frequenz bewirken könnte. Eine Lösung dieser Aufgabe besteht darin, ihn in einem evakuierten Gefäß unterzubringen, wie dies Fig. 4 zeigt. Hierdurch wird nicht nur Rosten, Verstauben usw. verhütet, sondern man verhütet auch die oft unerwünschte Tonübertragung im Fall, daß der Vibrator tonfrequent schwingt.

Gemäß Fig. 4 sind die äußerlich als eine Spule erscheinenden beiden Transformatorenspulen über das Vakuumgefäß geschoben, so daß durch dessen Wandung keine Stromzuführungsleitungen hindurchgehen müssen.

Besondere Bedeutung kommt der Herstellung des Vibrators im Hinblick auf starke Schwingungen und im Hinblick auf seine geringe Frequenzabhängigkeit von der Temperatur zu.

Reines Eisen und Eisen mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt ist infolge der Schwachheit des magnetostriktiven Effekts zur Herstellung von Vibratoren wenig geeignet.

Ein Nickelrohr, in das ein Nickelstahlkörper aus 36⁰Z₀ Ni und 04°/₀ Stahl hineingetrieben ist, zeigt einen Temperaturkoefftzienten der Frequenz von ¹I₆₅₀₀₀ pro Grad Temperaturänderung.

Eine Legierung, die 53% Fe, 36°/,, Ni und i2°/₀Cr enthält, ist praktisch unabhängig von der Temperatur. Diese Legierung hat weiterhin den Vorteil, daß die Eigenfrequenz der aus ihr hergestellten Vibratoren in weiten Grenzen praktisch unabhängig von der Stärke des magnetischen Feldes ist. Ausgeglühte Stäbe geben die besten Wirkungen.

Die Ursache, daß gewöhnlich Metalle ihre Eigenfrequenz mit der Temperatur ändern, liegt darin, daß sich Elastizität und Dichte mit der Temperatur etwas ändern. Es sind demnach zur Herstellung von Vibratoren Legierungen zu wählen, bei denen die temperaturbedingten Elastizitäts- und Dichteschwankungen möglichst gering sind.

Es gibt Baustoffe, die einen positiven, und Baustoffe, die einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz haben. Durch mechanische Verbindung von mehreren Teilen mit positivem und negativem Tempera- no turkoeffizienten der Frequenz kann man einen Vibrator erhalten, dessen Temperaturkoeffizient der Frequenz praktisch Null ist.

Ein aus Teilen verschiedener Baustoffe zusammengesetzter Vibrator ist in Fig. 5 veranschaulicht.

Er besteht aus einem Rohr 60, in das zwei Pfropfen 61°, 6i* hineingetrieben sind. Auf dem Rohr 60 befinden sich die Gewichte 62°, 62^s, die fest oder verschiebbar sein können und dazu dienen, um dem Vibrator die gewünschte Eigenfrequenz zu geben. Das Rohr

6o befindet sich innerhalb der beiden Transformatorspulen 63, die in der Zeichnung als Einheit erscheinen.

Durch die Zusammensetzung des Vibrators aus Baustoffen verschiedener Eigenschaften läßt sich nicht nur der Temperaturkoeffizient der Frequenz praktisch auf Null bringen, sondern es lassen sich noch verschiedene andere Effekte erzielen. Beispielsweise läßt sich hierdurch in an sich bekannter Weise die Eigenfrequenz des Vibrators auf einen bestimmten gewünschten Wert bringen. Handelt es sich darum, dem Vibrator eine niedrige Eigenfrequenz zu geben, so besteht der Teil 6i^a, 61 * des Vibrators, der in der Hülle 60, die beispielsweise aus Nickel hergestellt sein kann, eingeschlossen ist, aus einem Baustoff von andersartigen mechanischen Eigenschaften, wie Blei, Typenmetall oder verschiedenen Legierungen. Statt in die Hülle 60 zwei getrennte Pfropfen zu schieben, kann in sie auch ein durchgehender Pfropfen geschoben sein. Der zusammengesetzte Vibrator muß nicht die in Fig. 5 dargestellte Gestalt haben. Man kann beispielsweise einen zusammengesetzten Vibrator durch Einbettung einer· Anzahl kurzer Drähte in ein hochelastisches Bindemittel erhalten oder durch ihre mechanische Verbindung an geeigneten Stellen, etwa Lötung oder Schweißung. Diese kann etwa in der Vibratormitte oder an den Vibratorenden erfolgen. Durch derart zusammengesetzte Vibratoren lassen sich Hysteresis- und Wirbelstromverluste herabsetzen. Eine Herabsetzung der Wirbelstromverluste erhält man gleichfalls, wenn man als Vibrator ein Rohr verwendet, das einen Längsschlitz hat.

Für sehr hohe Frequenzen kann man Kerne verwenden, die in geeigneter Weise unterteilt sind und in einem elastischen Bindemittel liegen.

Setzt man den Vibrator aus mechanisch miteinander verbundenen Gliedern zusammen, so ergeben sich zwei Möglichkeiten, von denen jede ihre besondere Bedeutung hat. Die Glieder des Vibrators können aus Stoffen verschiedener magnetostriktiver Eigenschaften bestehen. Andererseits kann eines der mechanisch miteinander verbundenen Glieder nicht magnetostriktiv sein.

Durch mechanische Verbindung von mehreren magnetostriktiven, sich aber im magnetischen Feld anders verhaltenden Metallen zu einem Vibrator kann man besonders große Ausschläge erzielen. Vereinigt man beispielsweise Eisen- und Nickelteile zu einem Vibrator, so erhält man deshalb besonders starke Ausschläge, weil sich die Eisenteile dehnen, während sich die Nickelteile zusammenziehen. Bei dem Vibrator gemäß Fig. 5 kann beispielsweise die äußere Hülle 60 aus Nickel und der innerhalb der Hülle befindliche Teil 6i^a, 6i^b aus Nickelstahl bestehen, etwa mit Nickelgehalt von 36°/₀. Bei Anwendung der genannten Baustoffe und eines sich über die ganze Rohrlänge erstreckenden Nickelstahlpfropfens erhält man einen vorzüglichen Vibrator. Bei Versuchen wurde ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 0,97 cm und einer Wandstärke von 0,088 cm benutzt. Der Temperaturkoeffizient betrug ¹Z₈SOOo P^ro Celsiusgrad.

Ein dünnes Nickelrohr mit einer Eigenfrequenz von tausend Hertz ist etwa 2*/₂ ni lang. Daher bereitet die Unterbringung eines solchen Rohres Schwierigkeiten. Man erhält jedoch aus dem gleichen Rohr einen Vibrator gleicher Eigenfrequenz von nur 1 m Länge, wenn man in dem Rohr einen geeigneten Füllstoff unterbringt.

Vibratoren, die einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz besitzen, der annähernd Null ist, lassen sich sowohl durch mechanische Verbindung zweier magnetostriktiver Metalle erhalten als auch durch Zusammensetzung eines magnetostriktiven Metalls mit einem nichtmagnetostriktiven.

Claims (16)

1. Patentansprüche: i. Elektrischer Transformator, ge-

   kennzeichnet durch einen auf der Erscheinung der Magnetostriktion beruhenden Vibrator, der sich über die beiden zu koppelnden Spulen erstreckt und durch seine mechanischen Schwingungen Energie von dem Eingangskreis auf den Ausgangskreis überträgt.
2. 2. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mittels rückgekoppelter Stromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Rückkopplung durch einen Transformator gemäß Anspruch ι bewirkt ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator, des Transformators bei einer Röhrenoszillatorschaltung den Kreis einer Steuerelektrode mit dem Anodenkreis koppelt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei Vakuumröhren und einen Transformator, dessen Vibrator den Kreis der Steuerelektrode der einen Vakuumröhre mit dem Anodenkreis der anderen Vakuumröhre koppelt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator im wesentlichen auf die Frequenz der rückgekoppelten Kreise abgestimmt ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Röhrenoszilla-
7. torschaltung, die an sich nicht zu schwingen vermag und erst durch das Vorhandensein des magnetostriktiven Vibrators schwingungsfähig wird.
   7. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der beiden Kreise, die durch den Vibrator des Transformators gekoppelt werden, in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Verstärker zur Verstärkung der erzeugten Schwingungen und Mittel, um harmonische Bestandteile derselben auszuwählen.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator aus mechanisch miteinander verbundenen Gliedern von verschiedenen magnetostriktiven Eigenschaften zusammengesetzt ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der mechanisch verbundenen Glieder nicht magnetostriktiv ist.

    as
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder

    io, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Glied röhrenartig ausgebildet ist und das andere Glied umschließt.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Vibrators, der in der Hülle eingeschlossen ist, ein Körper von andersartigen mechanischen Eigenschaften, wie Blei, Typenmetall oder verschiedenen Legierungen, ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle aus Nickel und der Teil innerhalb der Hülle aus Nickelstahl besteht.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator des Transformators aus solchen Stoffen zusammengesetzt ist, daß er einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz besitzt, der annähernd Null ist.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator des Transformators mit festen oder verstellbaren Gewichten versehen ist.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator des Transformators in einem evakuierten Gefäß untergebracht ist.

    Hierzu r Blatt Zeichnungen