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Elektromagnetische Einrichtung für Übertrager, Pupinspulen, Relais,
elektroakustische Vorrichtungen u. dgl., bei welcher das magnetische Belastungsmaterial
der Einrichtung senkrecht zum magnetischen Wechselstrom-Nutzfeld mit einem magnetischen
Gleichfeld belastet ist In den meisten Einrichtungen, welche sich eines Leiters
bedienen, der magnetisch belastet ist, um die Eigeninduktion oder die Induktion
zu anderen Leitern bzw. den Induktionsfluß zu magnetischen beweglichen Teilen zu
erhöhen, wird großer Wert darauf gelegt, ein magnetisches Material mit großer Permeabilität
bei geringer Feldabhängigkeit gegebenenfalls in großem Feldstärkebereich anzuwenden.
Im Einklang mit dieser Forderung steht das Verlangen nach einem Material mit geringen
Hystereseverlusten. Auch eine große Induktion bei geringer Koerzitivkraft ist häufig
erwünscht. Ein solches Material ist von großem Interesse für Übertrager, Pupinspulen,
Krarupkabel, Relais, elektroakustische Einrichtungen u. dgl. Die geforderten Eigenschaften
setzen eine steile Magnetisierungskurve bei gleichzeitiger Vermeidung der irreversiblen
Vorgänge voraus. Praktisch zeigt sich nun, daß gerade Materialien, welche eine steile
Magnetisierungskurve aufweisen, stark zu irreversiblen Vorgängen neigen (Barkhausen-Effekt).
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, elektromagnetische Einrichtungen
mit - hoher Anfangspermeabilität des magnetischen Materials zu schaffen, bei' denen
besonders die irreversiblen Vorgänge vermieden werden. Die Erfindung bedient sich
dabei der an sich bekannten Anordnung, bei welcher das magnetische Belastungsmaterial
der Einrichtung, z. B. einer Übertrager- oder Pupinspule, eines Krarupkabels, Relais,
einer elektroakustischen Einrichtung o. dgl., senkrecht zum magnetischen Wechselstromnutzfeld
mit einem magnetischen Gleichfeld belastet ist, und besteht darin, daß diemagnetische
Gleichfeldbelastung bis zur Sättigung des magnetischen Belastungsmaterials oder
darüber hinaus bemessen ist.
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Unter den magnetischen Materialien sind für die vorliegenden Einrichtungen
besonders diejenigen geeignet, welche bei möglichst kleiner Feldstärke und bei hoher
Induktion das Sättigungsgebiet erreichen (Hystereseschleife mit angenäherter Rechtecksform).
Ein Material dieser Art bietet sich beispielsweise in einer Eisen-Nickel-Legierung
von etwa 78 0lo Nickel, gegebenenfalls mit geringen Beimengungen vorzugsweise von
Silicium, die sich außer durch eine hohe Anfangspermeabilität und rechteckigen Verlauf
der Hystereseschleife durch eine geringe Koerzitivkraft auszeichnen.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß das Auftreten irreversibler
Vorgänge und damit der Hystereseerscheinungen, welche
durch das
Umklappen der magnetischen Elementarbezirke entsteht, vermieden werden kann, wenn
die Magnetisierungsänderungen allein durch-Drehvorgänge besorgt werden. Wissenschaftliche
Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß bei drehender Ummagnetisierung (Ummagnetisierung
durch räumliche Drehung des 5-Velctors) der Hystereseverlust in Funktion von 2 (der
Induktion) ein Maximum aufweist, um dann für genügend große 2 sich dem Werte Null
zu nähern. Ähnlich wie der Verlust selber hat auch der 13ysteresewinkel zp (Winkel
zwischen -S5 und 2) in Funktion von 2 ein Maximum und verschwindet für die Sättigung.
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Von dieser Erkenntnis macht die Erfindung Gebrauch, insofern als die
drehende Ummagnetisierung im magnetischen Material durch ein zum magnetischen Nutzwechselstromfeld
senkrecht stehendes magnetisches Gleichfeld, das bis zur Sättigung des magnetischen
Materials getrieben ist, bewirkt wird. Es sind nun zwar bereits Versuche über die
Magnetisierung bei einer Quermagnetisierung mit einem Gleichquerfeld bekanntgeworden,
nach denen die Hystereseverluste durch die Ouermagnetisierung mit Hilfe des Gleichfeldes
herabgesetzt werden unter Verringerung der Permeabilität.
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Die Herabsetzung der Hysterese bei den bekannten Versuchen war aber
nicht so bedeutend, daß bei der Einbuße an Permeabilität eine Anregung für die Technik
vorhanden gewesen wäre.
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- Die Erfindung weist erstmalig darauf hin, däß die Hysterese praktisch
zumVerschwinden gebracht werden kann, wenn man mit der Ouermagnetisierung bis zum
Sättigungsgebiet oder darüber hinausgeht, so daß der Nachteil der Permeabilitätsverringerung
bei weitem aufgewogen wird. .
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Praktisch werden dann besonders günstige Ergebnisse erhalten, wenn
unter Verwendung eines Magnetmaterials angenähert rechteckiger Hysteresekurve die
Quermagnetisierung so weit getrieben wird, daß eine Vergrößerung der Feldstärke
praktisch keine Vergrößerung der Hysteresefläche mit sich bringt.
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Im folgenden sei das Nutzwechselfeld mit S5" und das konstante sättigende
Gleichfeld mit @ S5g bezeichnet (im weiteren oft kurz Querfeld genannt). Es sei
nun S- @s diejenige Feldstärke, bei welcher das Material bei rotierender Ummagnetisierung
einen praktisch verschwindenden Hysteresewinkel V besitzt. Dies tritt für ein Feld
S@ _-__ S-@S und eine Induktion 2 ._-_ 58s ein, bei dem das Material bei gewöhnlicher
Ummagnetisierung praktisch im Sättigungsbereich ist. Dies soll heißen, daß bei gewöhnlicher
Magnetisierung für S5 > S5s keine merkbaren verlusterzeugenden irreversiblen Vorgänge
mehr auftreten. Der noch vorhandene reversible- Anstieg - f (5) ist im folgenden
vernachlässigt, da die hierfür maßgebende differentielle Permeabilität ,u,t klein
gegenüber
ist. Die Berücksichtigung von Ad ändert an den Beziehungen nichts Wesentliches.
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An Hand der Fig. z, die eine Hystereseschleife und zwei Diagramme
der Zusammensetzung der Felder und Induktionen darstellt, soll eine Beziehung zwischen
der bei einer Ouermagnetisierung des Gleichfeldes S5g für das Nutzwechselfeld S5",
auftretenden Permeabilität ,u", und der der Gleichfeldmagnetisierung entsprechenden
Permeabilität ,ug aufgestellt werden. Die Permeabilität für den Nutzwechselstrom
ergibt unter Voraussetzung (p F#) - (p 2, d. h. daß der 2-Vektor bei der drehenden
Magnetisierung in die Richtung des 5-Vektors fällt (vgl. die Diagramme in Fig. z),
bei einer Gleichstromquermagnetisierung über der Sättigung einen Wert-
oder wenn S)b = k #5s
Ein großer technischer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß ,u, bei manchen
Stoffen (bei den hochpermeablen Legierungen z; B.) sehr hoch- liegt, theoretisch
auch höher als pco liegen kann.
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Eins der wichtigsten Momente für die praktische Anwendung ist der
Umstand, daß eine Gleichstromvormagnetisierung in der Arbeitswicklung (wie die bezeichneten
Kurven sinngemäß gedeutet zeigen) praktisch kaum eine Herabsetzung der Permeabilität
bedeutet. So wird für die Vormagnetisierung 5" - S5, bei 5,1 - 5s die. Permeabilität
für kleine Wechselfelder nur 30 °@o kleiner als ,u, gegenüber dem Wert
Ad - ,u reversibel bei Abwesenheit eines Querfeldes.
Es muß
betont werden, daß die für diese Anwendung wichtige Forderung eines hohen-,ees nicht
notwendig identisch ist mit der Forderung hoher Anfangspermeabilität oder kleiner
Koerzitivkraft. Es kommt hier vielmehr darauf an, bei möglichst kleiner Feldstärke
und möglichst großer Induktion das reversible Sättigungsgebiet zu erreichen. Es
ist also denkbar, daß ein Material mit kleinerer Anfangspermeabilität und größerer
Koerzitivkraft ein größeres yus besitzt, wenn nur die Schleife genügend rechteckförmig
ist (um kurz nach 5 - S-, die Sättigung zu erreichen) und die Sättigungsinduktion
hoch ist. Eisen-Nickel-Legierungen sind besonders im Permalloygebiet für die Anwendung
der Erfindung geeignet. Bei Permalloy z. B. ist theoretisch ein ,u,-zoooo, bei F,#ficu
0,5 Gauß zu erreichen. In praktisch möglichen Ausführungen werden sich die
Vorgänge insofern von den hier entwickelten unterscheiden, als eine unvermeidliche
Inhomogenität der Felder (besonders des Querfeldes) auftritt. Dies bewirkt, daß
r. 5s nicht überall erreicht wird und 2. nicht überall senkrecht auf S)", steht,
infolgedessen Hysterese in manchen Gebieten auftritt, 3. das Feld F, teilweise größer
ist als berechnet und die Permeabilität etwas kleiner ausfällt. Die Absolutgröße
des Hystereseverlustes ist praktisch überhaupt durch die Sauberkeit der Verwirklichung
des homogenen Querfeldes bedingt. Praktisch wird sich also die Inhomogenität so
auswirken, daß eine vorgeschriebene Konstanz von ,u oder Hysteresefaktor bei größerem
Querfeld und kleinerer Permeabilität erreicht wird, als berechnet.
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Im folgenden werde gezeigt, in welcher Weise die Permeabilitätskurven
(Fig. 2) für den Nutzwechselstrom von der Gleichstromquermagnetisierung abhängen.
Den Kurven kann man sich die in Fig. r dargestellte Hystereseschleife zugrunde gelegt
denken. Es zeigt sich, daß bei einer Gleichstromquermagnetisierung,.welche gleich
ist der Sättigungsmagnetisierung, noch eine gewisse Abhängigkeit der Anfangspermeabilität
von dem Nutzwechselfeld vorhanden ist. Ist die Gleichstromquermagnetisierung doppelt
so groß wie die Sättigungsmagnetisierung, dann ist die Feldabhängigkeit schon sehr
gering geworden. Bei einer Ouermagnetisierungsfeldstärke, die den zehnfachen Betrag
der Sättigungsmagnetisierung besitzt, ist kaum noch eine Änderung der Permeabilität
in Abhängigkeit vom Nutzwechselstromfeld wahrnehmbar. Die Kurven der Fig. 2 zeigen,
daß allerdings mit Zunahme des Querfeldes die Anfangspermeabilität gegenüber dem
Wert der Sättigungspermeabilität abnimmt.
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Je nach den praktischen Bedürfnissen an Größe der Permeabilität und
an Konstanz der Permeabilität wird man sich daher die Größe der Quermagnetisierung
wählen.
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Fig. 3 zeigt praktisch an einem Material die mit 78 °i, Nickel, einem
kleinen Zusatz von Silicium und Rest Eisen gewonnenen Kurven der Permeabilität in
Abhängigkeit von der magnetisierenden Feldstärke des Nutzwechselstromes. Aus den
Kurven ist deutlich zu erkennen, daß die Permeabilität bei Anwendung einer Quermagnetisierung
(Kurve a) etwa in der Größenordnung der Anfangspermeabilität (75oo) bleibt, bei
Zunahme der Quermagnetisierung (Kurve b) allerdings abnimmt, jedoch in einem weiten
Feldstärkebereich konstant wird. Den Versuchen lag, wie bereits ausgeführt, eine
Permalloylegierung mit Siliciumzusatz zugrunde, die eine kleine Koerzitivkraft von
etwa o,o5 Gauß besaß. Für die Versuche war ein Blechstreifen von der Stärke von
o,Z5 mm und 35 mm Breite zu einem Rohr zusammengerollt worden, das, wie aus der
erläuternden Fig. 4 hervorgeht, mit einer Magnetisierungswicklung für das' Nutzfeld
versehen wurde. Das Rohr befand sich in einem Gleichfeld in der Richtung der Rohrachse,
das mit Hilfe eines Joches mit Gleichstrommagnetisierung angelegt wurde.
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In Fig. 4 ist bei ca die Einrichtung gezeigt, die aus einem Joch besteht,
dessen Schenkel von der mit Gleichstrom gespeisten Wicklung magnetisiert werden.
Im Joch befindet sich die bei b größer gezeichnete Röhre aus magnetischem Material
mit der Magnetisierungsbewicklung IU, der für Meßzwecke eine Wicklung B für
den Anschluß an das ballistische Galvanometer beigefügt wurde. Mit Hilfe der Gleichstromquelle
wurde das durch die Magnetisierungswicklungen w erzeugte Gleichfeld eingestellt
und durch Änderung der an die Wicklung M gelegten -Wechselspannung die Kurven der
Fig. 3 aufgenommen. Während die Kurve c ohne Quermagnetisierung aufgenommen war,
lag die Quermagnetisierung bei der Kurve a etwa im Sättigungsgebiet, bei b schon
beträchtlich darüber.
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Im folgenden sollen noch für eine andere Form der Quermagnetisierung
Versuchsergebnisse zur Erläuterung wiedergegeben werden. Die Ouermagnetisierungkann
allmählich auch vorteilhaft durch Stromdurchgang durch den Magnetkern erzeugt werden,
was, wie später noch näher ausgeführt wird, zu günstigen Einrichtungen führt.
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Fig.5 zeigt eine Schar von Hystereseschleifen, welche an einem Draht
von z mm Durchmesser und 40 cm Länge aufgenommen wurden. Der Draht wurde mit verschiedenen
Gleichströmen beschickt und dadurch eine zirkulare Quermagnetisierung in dem als
Kern
einer Spule dienenden Draht bewirkt. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht,
werden die Hystereseschleifen mit zunehmender Gleichstromquermagnetisierung immer
schmäler. Die Hystereseverluste nehmen also ab, die Permeabilität wird immer mehr
konstant, wenn auch kleiner. Während Kurve a die Hysteresekurve ohne Gleichstromquermagnetisierung
wiedergibt, zeigen die Kurven b, c, d Hystereseschleifen mit zunehmender
Quermagnetisierung.
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Im folgenden seien einige Ausführungsformen der Einrichtung nach der
Erfindung kurz besprochen. In praktischen Fällen wird man das in Fig. q. gezeigte
Versuchsmodell handlicher gestalten und die Ouermagnetisierungseinrichtung zu einem
einfachen Querjoch mit Magnetisierungswicklung zusammenschrumpfen lassen. In vielen
Fällen wird sich die einfache Anwendung eines Dauermagneten als Querjoch empfehlen.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird die Quermagnetisierung -dadurch
hervorgerufen, daß der magnetische Kern aus Drahtbündeln aufgebaut wird und jeder
Draht des Bündels von einem Gleichstrom durchflossen wird, der ein zirkulares Querfeld
in den Drähten erzeugt.
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Bei Aufbau einer Ringkernspule für Übertrager wird z. B. dann ein
isolierter Eisendraht zu einem Ringkern gewickelt, auf den dann die Ringwicklung
aufgebracht wird. An die zwei Enden des den Kern bildenden Eisendrahtes wird eine
Gleichspannung gelegt. Es können natürlich auch mehrere Eisendrähte desselben Kernes
oder aber verschiedener Kerne parallel an die Gleichspannung gelegt werden. Die
beiden genannten Anordnungen sind beispielsweise für Fernsprech- oder Musikübertrager,
verzerrungsfreie Spulen, Spulen für Filter und andere Netzwerke, Pupinspulen u.
dgl. besonders geeignet. Derartig ausgestattete Pupinspulen sind besonders dort
von ganz besonderem Wert, wo große Stromstärken übertragen werden, z. B. am Anfang
von Seekabeln (Transozeankabeln). Die Zuführung des Gleichstromes kann bei solchen
Kabelanlagen durch besondere Leitungen des Kabels oder aber durch die Fernmeldeleitungen
selbst vorgenommen werden, wobei an den Belastungspunkten eine Abriegelung des Gleichstromes
durch Übertrager oder Kondensatoren vorgenommen werden kann und die bei der Unterlagerungstelegraphie
bekannten Mittel zu Hilfe genommen werden können. Bei mehradrigen Kabeln kann z.
B. je# eine Ader bzw. Doppelleitung für die Gleichstromversorgung an einem oder
mehreren Belastungspunkten benutzt werden.
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Bei Krarupkabeln ist eine Gleichfeldquermagnetisierung in einfacher
Weise dadurch zu bewerkstelligen, daß eine besondere Gleichstromwicklung durchgehend
um die belastete Ader oder Adergruppen gewickelt wird, wobei die Armierung als Rückleiter
dienen kann.
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Ein großer Vorteil der elektromagnetischen Einrichtungen nach der
Erfindung ist es, daß das magnetische Material von äußeren Einflüssen (z. B. Druck)
weitgehend unabhängig wird.