DE838145C - Hochfrequenzimpulstransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenztransformator mit einem aus ferromagnetische™ Material bestehenden Magnetkreis, wie dieser z. B. zur Erzeugung kurzer, rechteckiger Hoc'hspannungsimpulse zur Speisung der Magnetrons einer Radaranlage verwendet wird.

Hochfrequenztransformatoren sind zur Übertragung elektrischer Impulse erforderlich, die z. B. eine Primäramplitude von 5 bis 10 kV, eine Impulsdauer von 1 ^tsec, eine Impulswiederholungsfrequenz von mindestens 50 Hz und eine Sekundäramplitude bis 500 kV haben können.

Es ist bekannt, für solche Hochfrequenztransformatoren lamelliertes Magnetkernmaterial zu verwenden. Es ist jedoch empfehlenswert, einen Ferritkern zu verwenden, wie dieser in der britischen Patentschrift 8056/49 beschrieben ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Transformatoren, bei denen Ferrit als Kernmaterial verwendet wird.

Zum Vermeiden einer erheblichen Verzerrung ao der Ausgangswellenform ist es erforderlich, in dem geraden Teil der Magnetisierungskurve des Kernmaterials zu arbeiten. Bekanntlich sieht die Magnetisierungskurve eines ferromagnetischen Materials dem Zeichen / mit einer oberen und einer »5 unteren Krümmung und einem nahezu geraden Teil nahe dem Ursprung ähnlidh.

Bei einem Transformator, der einen sinusförmigen Strom führt, wird üblicherweise sowohl der positive Teil als auch der negative Teil' der

Magnetisierungskurve benutzt. Ein einen. Impulsstrom führenderTransformator wird jedoch·üblicherweise nur die eine Hälfte der Kurve benutzen, da der Impulsstrom nur in einer einzigen Richtung verläuft. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, ein gleichbleibendes .Magnetisierungsfeld im Magnetkreis vorzusehen, so daß beim Fehlen eines Ein-*· gangsstroms das magnetische Kernmaterial in einer einzigen Richtung praktisch gesättigt ist. Dies kann

ίο durch eine zusätzliche Wicklung, die Gleichstrom führt, oder unter Zuhilfenahme eines Dauermagneten bewerkstelligt werden. Der Impulsstrom muß dabei ein Magnetfeld in einer der des konstanten Magnetfeldes entgegengesetzten Richtung erzeugen.

In der britischen Patentschrift 18329/49 wurde unter anderem ein Hochfrequenztransformator zum Übertragen elektrischer Impulse mit einem aus Ferrit hergestellten Magnetkreis beschrieben, in

ao dem ein Dauermagnet ein konstantes Magnetisierungsfeld erzeugt, das den Magnetkreis zu sättigen bestrebt ist und in dem durch den Impulsstrom ein entgegengesetztes Feld erzeugt wird, wobei zwischen dem Magnetkreis und dem Dauermagneten ein geschlossener elektrischer Leiter zur Vermeidung von Verlusten angebracht wird, die ■sonst infolge der Hodifrequenzkomponenten des im Material des Dauermagneten erzeugten Feldes auftreten.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ähnliche Vorrichtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Hochfrequenztransformator für elektrische Impulse einen geschlossenen Magnetkreis aus Ferrit, in dessen einem Teil (Erregung) ein konstantes Magnetfeld von einem Dauermagneten und ein entgegengesetztes Feld vom Impulsstrom erzeugt wird und in einem weiteren Teil (magnetischen Nebenschluß) das konstante Magnetfeld und das vom Impulsstrom erzeugte Feld die gleiche Richtung haben. Dabei sind die magnetischen Konstanten des Nebenschlusses derart bemessen, daß das magnetische Material in

■ diesem Nebenschluß nicht von der Resultante des konstanten Feldes und des vom Impulsstrom erzeugten Feldes gesättigt wird und ein geschlossener Kreis aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen ist, daß praktisch Wirbelströme im Dauermagneten, hervorgerufen durch den Erregerstrom, nicht auftreten.

Wird bei einem solchen Transformator ein geschlossener Magnetkreis verwendet und ist es erwünscht, einen Teil von diesem durch ein von einem Dauermagneten erzeugtes konstantes Magnetisderungsfeld zu polarisieren, wobei zwei Magnetpole in den Kreis induziert werden, folgt daraus, daß das Magnetfeld im Magnetkreis zwischen diesen Polen die erwünschte Richtung im einen Teil des Magnetkreises und die entgegengesetzte Richtung im anderen Teil aufweisen wird. Dies schließt in sich, daß, wenn der Impulsstrom ein entgegen^, gesetztes Feld in demjenigen Teil des Magnetkreises erzeugen kann, der hier als der Erregerteil bezeichnet wird, dieses Feld das Magnetisierungsfeld verstärken wijd, das in dem anderen Teil wirksamt-ist, der hier als der magnetische Nebenschluiß bezeichnet wird. Es ist daher wichtig, den magnetischen Nebenschluß derart auszubilden, daß das konstante .Magnetfeld üiid . das vom Impulsstrom erzeugte Magnetisierungsfeld nicht gemeinsam das Kern^ material in diesem Teil des Magnetkerns sättigen und vorzugsweise gemeinsam eine den maximalen Betriebswert unterschreitende Kraftliniendichteierzeugen, welche einem Punkt entspricht, der vor der oberen oder der unteren Krümmung auf der Magnetisierungskurve des Materials liegt.

Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung hat der magnetische Nebenschluß einen Kern mit einem Durchmesser, der mindestens das Dreifache desjenigen des Erregerteiles des Kernes ist, und ist mit einem solchen Luftspalt versehen, daß der Nebenschluß annähernd den gleichen magnetiscfo*n Widerstand wie der Erregerteil hat.

Es kann jedoch vorteilhaft sein, daß der Querschnitt des magnetischen Nebenschlusses etwas über den Mindestwert, d. h. das Dreifache des Querschnittes des wirksamen Teiles, hinausgeht, so daß die Kraftliniendichte nicht ganz den maximalen Betriebswert annimmt. Es kann z. B. der Querschnitt wie das Vierfache des Querschnittes des wirksamen Teiles des Kernes bemessen werden, und in diesem Fall wird die Länge des Luftspaltes vergrößert, um den magnetischen Widerstand des magnetischen Nebenschlusses wieder annähernd gleich dem des Erregerteiles zu machen. Die maximale Kraftliniendichte im magnetischen Nebenschluß beträgt dabei drei Viertel des erwünschten maximalen Betriebswertes.

Vorzügsweise ist der magnetische Nebenschluß scheibenförmig, wobei der Dauermagnet auf der einen Seite, der Erregerkern auf der anderen Seite angebracht ist und der Nebenschlußkraftfluß in radialer Richtung verläuft, wobei der Querschnitt des Magneten mindestens das Doppelte des Querschnittes des wirksamen Kernes und die Stärke der Scheibe etwas größer als der halbe Durchmesser des Kernes ist. Bei dieser Ausführungsform Hegt der Luftspalt außerhalb der Begrenzung der Magnetpolfläche, und zwar in einem maximalen radialen Abstand. Bei einer solchen Vorrichtung ist der Kraftfluß im Erregerkern nahezu über seine ganze Länge konstant. Außerdem ist der Streufluß vernachlässigbar und ruft keine wesentlichen Wirbelströme in der Wicklung oder in der Hülle hervor.

Vorzugsweise ist der Magnet mit einem Joch in Form eines umgekehrten Bechers versehen, dessen herabhängender Teil gerade den Kern umgreifen kann, was (feinen guten magnetischen Kontakt zwischen dem Magneten und dem wirksamen Kern ergeben kann.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird die Wirkungsweise des magnetischen Nebenschlusses an Hand der Fig. 1 der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι ist ein elektrisches Ersatzschaltbild, das dem Magnetkreis nach der Erfindung' entspricht, bei dem der Querschnitt des magnetischen Neben- i»5 Schlusses das Dreifache des Querschnittes des

Erregerteilesi des Kernes ist und bei dem der magnetische Widerstand des Erregerteiles und der des magnetischen Nebenschlusses gleich sind. In Fig. ι wird der magnetische Widerstand des wirksamen Teiles des Ferritkernes durch einen Widerstand ι mit einem Wert 7? und die vom Impulsstrom erzeugte magnetomotorische Kraft durch eine EMK. mit einem Wert E bezeichnet, die von einem in Reihe mit dem Widerstand ι gelegten Generator 2

ίο erzeugt wird. Die magnetomotorische Kraft des Dauermagneten wird durch eine EMK. mit einem Wert E' !^zeichnet, die von einer Batterie 3 erzeugt wird, die in Reihe mit einem Widerstand 4 und einer parallel zu den Elementen 1 und 2 geschalteten Drosselspule 5 liegt. Der Wert R' des Widerstandes 4 bezeichnet den magnetischen Widerstand des den Dauermagneten enthaltenden Zweiges, und die Drosselspule 5 bezeichnet den geschlossenen Kreis aus leitendem Material, der nahe der Verbindung zwischen dem Dauermagneten und dem Magnetkreis angebracht ist. Der magnetische Nebenschluß ist bei 6 schematisch dargestellt und besteht aus drei Reihenschaltungen von Widerständen 7, 8, 9, 10, 11," 12. Die Widerstände8, 10 und 12 haben

as je einen Widerstandswert R, so daß sie gemeinsam den magnetischen Widerstand des magnetischen Nebenschlusses darstellen, dessen Querschnitt das Dreifache des Querschnittes des Erregerteiles des Kernes ist. Die Widerstände 7, 9 und n haben je einen Wert 2 R und stellen gemeinsam den Luftspalt im Nebenschluß dar.

Das vom Dauermagneten erzeugte konstante Magnetisierungsfeld wird hier durch einen Fluß Φ dargestellt, der sowohl den Erregerteil des Kernes als auch den magnetischen Nebenschluß durchfließt. Im wirksamen Teil entspricht dieser Fluß Φ der maximalen Betriebskraftliniendichte des Kernmaterials. Es ist ersichtlich, daß der eine jede der Reihenschaltungen der Widerstände 7, 8, 9, 10, 11 und 12 durchfließende Fluß Φ/3 betragt. Die vom Impulsstrom erzeugte Magnetisierung wird durch einen Fluß 2 Φ im Stromkreis in Fig. ι dargestellt, der sowohl den wirksamen Teil des Kernes als auch den magnetischen Nebenschluß durchfließt, so daß der eine jede der Reihenschaltungen der Widerstände durchfließende Teil 2 Φ/3 beträgt. Im wirksamen Teil des Kernes sind das konstante magnetische Feld und das vom Impulsstrom erzeugte Feld einander entgegengesetzt, so daß der zur Auswirkung gelangende Kraftfluß in diesem Kernteil Φ beträgt; dieser Wert entspricht einem Fluß, der dem konstanten Magnetisierungsfeld gleich und entgegengesetzt ist. Im magnetischen Nebenschluß verstärken sich das konstante Magnetisierungsfeld und das vom Impulsstrom erzeugte Feld, so daß der magnetische Nebenschluß von einem Gesamtkraftfluß von 3 Φ durchflossen wird, der bei der Schaltung nach Fig. 1 durch einen eine jede der erwähnten Reihenschaltungen von Widerständen durchfließenden Fluß dargestellt wird. Der Gesamtkraftfluß im magnetischen Nebenschluß ist das Dreifache des Flusses im Erregerteil. Der Querschnitt ist jedoch auch das Dreifache, so daß die Kraftliniendic'hte in diesem Teil des Kernes gleich derjenigen des Erregerteiles ist, wodurch Sättigung ■vermieden wird.

Da bei Massenherstellung solcher Transforma toren die von den Dauermagneten erzeugte magnetomotopische Kraft für jeden Magneten verschieden sein kann, ist es erwünscht, Vorkehrungen zu treffen, das konstante Magnetfeld auf einem Wert zu · halten, der in der Nähe des zulässigen Sättigungswertes liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Teil des Magnetkreises des Hochfrequenztransformators in dem den Dauermagneten enthaltenden Zweig derart bemessen, daß er einen Sättigungswert von etwa dem Doppelten des maximalen Betriebskraftflusses des Erregerteiles des angewendeten Ferritmaterials hat. Dies kann in der Praxis verwirklicht werden, indem der Querschnitt des magnetischen Materials in dem den Dauermagneten enthaltenden Zweig verringert wird. Bei dem entsprechenden elektrischen Kreis der Fig. 1 geht dies darauf hinaus, daß der Widerstand 4 durch eine Widerstandslampe oder einen ähnlichen, nichtlinearen Widerstand ersetzt wird.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nachstehend eine praktische Ausführungsform des Hochfrequenztransformators nach der Erfindung an Hand der Fig. 2 der Zeichnung beschrieben; Fig. 2 ist ein durch die Achse einer vorteilhaften Ausführungsform eines Hochfrequenztransformators geführter Querschnitt.

Nach Fig. 2 hat ein mittlerer, zylindrischer Ferritkern einen unteren Teil 1 mit einem Durchmesser D und einen oberen Teil 2 mit einem_Durchmesser }■' 2 D und eijier Stärke 3 DI4 · \ 1 ■ Der Teil ι trägt die Primär- und die Sekundärwick lungen 3 des auf einet zylindrischen Spule 4 gewickelten Transformators. Der Teil 1 des zentralen Kernes stößt an das zylindrische Kernelement 5 an, das eine Stärke D/4 hat und bei der Stelle 6 durchbrochen ist, um Raum für die nicht dargestellten Anschlußleitungen, die Transformatorwicklungen. 3, zu schaffen. Die Wicklungen 3 sind mit einem hohlen, zylindrischen Kernteil 7 von gleicher Länge wie der Kernteil 1 umgeben; die Wandstärke dieses Teils ist derart, daß P = ) D]—D],

wobei D₁ den Außendurchmesser und Z)₂ den Innendurchmesser be-

zeichnen. Der Teil 2 des mittleren Kernes liegt an einem zylindrischen Dauermagneten 8 an, der axial magnetisiert ist und einen Durchmesser von etwa weniger als }'7 D hat. Um den Teil 2 des mittleren Kernes herum ist ein ringförmiger Kernteil 9 mit gleicher axialer Stärke wie der Teif 2, gleichem Außendurchmesser wie der Kernteil 7 und mit etwas größerem Innendurchmesser als der Teil 2 angebracht, so daß ein ringförmiger Luftspalt zwischen den Kernteilen 2 und 9 verbleibt. Der iao obere Teil des Kernteiles· 9 trägt zwei ringförmige Kupferplatten 10, die also nahe der Verbindung zwischen dem Dauermagneten 8 und dem die mittleren Kerne 1 und 2 enthaltendem Magnetkreis¹ angebracht sind. Ein Stahljoch 11 in Form eines um- las gekehrten Bechers mit einem abwärts hängenden,

runden Mittelteil 12 kann den Dauermagneten 8 und die Platten 10 umgreifen und ragt herab gerade bis in die ringförmige Nut 13, die in dem oberen Außenrand des Kernorgans 9 gebildet ist. Das Element 5 ruht auf einem hohlen, zylindrischen Abstandsring¹14 aus Kunstharz, und das Ganze der beschriebenen Teile kann in einem Behälter 15 angeordnet sein, der am unteren Ende durch eine runde Scheibe 16 verschlossen ist.

Bei der Verwendung ist der Behälter 15 mit öl gefüllt, so daß die Transformatorwicklungen 3 in öl getaucht sind. '

Bei der an Hand der Fig. 2 beschriebenen Bauart sind die Kernteile i, 2, 5, 7 und 9 alle aus Ferrit hergestellt. Die Teile 1, 5 und 7 gehören ausschließlich zum Erregerteil des Kernes. Der Innenteil, des Elements 9 und der Außenteil des Teiles 2 gehören zum magnetischen Nebenschluß, während der Dauermagnet 8 und das Joch 11 den Zweig des

ao Kreises mit dem konstanten Magnetfeld bilden. Das Joch 11 und insbesondere der Teil 12 sind derart l)emessen, daß das Jochmaterial beim doppelten Wert des maximalen Betriebskraftnusses des Erregerteiles des Kernes gesättigt wird. Die Kupferplatten 10 bewirken, daß die vom Impulsstrom während des Betriebs in der Primärwicklung 3 erzeugten Wirbelströme keine Verluste erzeugen. Diese Kupferplatten sollen Verluste vermeiden, die sonst infolge des Hochfrequenzfeldes im Material des Dauermagneten 8 auftreten.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Hochfrequenzimpulstransformator zur Erzeugung elektrischer Impulse mit einem magnetischen Kreis aus Ferrit," in dessen einem Teil (Erregung) ein konstantes Magnetisierungsfeld von einem Dauermagneten und ein entgegengesetztes Feld vom Impulsstrom erzeugt wird und in dessen anderem Teil (Nebenschluß) das konstante Magnetisierungsfeld und das vom Impulsstrom erzeugte Feld gleiche Richtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nebenschluß derart bemessen ist, daß durch die Resultante aus dem konstanten Feld und dem vom Impulsstrom erzeugten Feld keine Sättigung erzielt wird und daß ein geschlossener Kreis aus elektrisch gut leitendem Material derart angeordnet ist, daß Wirbelstromverluste im Dauermagneten, hervorgerufen vom Erregerstrom, nicht auftreten.
2. 2. Hochfrequenzimpulstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nebenschluß einen Querschnitt hat, der mindestens das Dreifache des Querschnittes des Erregerteiles des Kernes ist und mit einem solchen Luftspalt versehen ist, daß der Nebenschlußteil annähernd den gleichen magnetischen Widerstand wie der Erregerteil hat.
3. 3. Hochfrequenzimpulstransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Magnetkreises mit* dem Dauermagneten derart bemessen ist, daß wenigstens ein Teil des Materials in diesem Zweig bei einem Kraftfluß von etwa dem doppelten Wert des maximalen Betriebskraftflusses (Erregung) gesättigt ist.
4. 4. Hochfrequenzimpulstransformater nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Neben-Schluß scheibenförmig ist und daß der. Dauermagnet auf der einen Seite und der Erregerkernteil auf der anderen Seite der Scheibe vorgesehen sind, wobei der Nebenschlußkraftfluß in radialer Richtung fließt und ein ringförmiger Luftspalt außerhalb des Pols des Magneten vorgesehen ist.
5. 5. Hochfrequenzimpulstransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet und Erregerkernteil einen runden Querschnitt haben, wobei der Durchmesser des Magneten mindestens ]/ 2 D und die Stärke der erwähnten Scheibe mindestens 3 D/4 · \'T beträgt, wobei D den Durchmesser des Erijegerkernteils bezeichnet. .
6. 6. Hochfrequenzimpulstransformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet an dem den magnetischen Nebenschluß bildenden Einzelteil anliegt und mit einem Joch (11) versehen ist, das gerade um die Außenseite des Ferritkernes greifen kann.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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