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Steuerbarer Magnetkreis In dem Patent 911 755 ist ein steuerbarer
Magnetkreis mit Eisenkörper angegeben, bei dem die Kraftliniendichte mit Hilfe örtlicher
Magnetisierung derart beeinflußt werden kann, daß der durch die Magnetisierungswicklung
erzeugte Fluß sich nicht oder praktisch nicht auf die übrigen Teile des Eisenkreises
erstreckt.
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Bei einer derartigen Anordnung wird durch die örtliche, von einem
Steuerstrom hervorgerufene Magnetisierung der Fluß, der durch eine geeignete magnetomotorische
Kraft, wie eine besondere Erregerwicklung oder einen permanenten Magneten, aufgedrückt
wird, so beeinflußt, wie dies für die Steuervorgänge erforderlich ist. Nach einer
bevorzugten Ausführungsform des Hauptpatents ist hierbei in einem Schenkel des Magnetkörpers
ein Fenster eingesetzt, durch das die Magnetisierungswicklung geführt ist. In den
beiden Teilen des Kraftlinienweges zu den beiden Seiten des Fensters ist hierbei
eine magnetomotorische Kraft wirksam, die den Hauptfluß aufdrückt, außerdem aber
auch noch die durch die Steuerwicklung hervorgerufene magnetomotorische Kraft. Hierbei
wirken in dem einen Teil dieser beiden Schenkel die beiden magnetomotorischen Kräfte
in gleichem Sinne, in dem anderen Schenkel in entgegengesetztem Sinne. Wenn hierbei
die magnetomotorische Kraft des Hauptflusses so gewählt ist,
daß
das Eisen bis über den Knick der Magnetisierungskurv e magnetisiert ist, die magnetomotorische
Kraft der örtlichen Magnetisierung aber so bemessen ist, daß dort, wo die beiden
Kräfte gegeneinander wirken, das Eisen in den ungesättigten Bereich kommt, so ergibt
sich, daß einerseits in dem Schenkel, in dem die beiden Kräfte gleichsinnig wirken,
fast keine Steigerung des Flusses möglich ist, während in dem Zweig, in dem die
Kräfte gegeneinander wirken, der Fluß stark abfällt und auch ein negatives Vorzeichen
erhalten kann. Hieraus ergibt sich, daß der in dem übrigen Irreis wirksame Fluß,
der die Summe der beiden Teilflüsse darstellt, durch Einschaltung einer derartigen
örtlichen Magnetisierung sprunghaft auf erheblich kleinere Werte gebracht werden
kann.
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So zeigt sich, daß zwischen der magnetomotorischen Kraft des Hauptflusses
bzw. einer dieser entsprechenden Erregerstromstärke und der magnetomotorischen Kraft
des Steuerflusses (örtliche Magnetisierung) eine durch die Magnetisierungskurve
des verwendeten Eisens mit bestimmte Abhängigkeit bei Eintritt des Sprunges besteht.
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Wenn der für die örtliche Magnetisierung verwendete Strom in seiner
Größe festliegt, kann es unter Umständen wichtig sein, mit einer sehr geringen magnetomotorischen
Kraft bzw. treibenden Stromstärke für den Hauptfluß auszukommen.
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Nach der Erfindung kann dieses Verhältnis dadurch vergrößert werden.,
daß an der Stelle zier örtlichen llagneti,sierung für Steuerzwecke der für die Kraftlinien
zur Verfügung stehende Eisenquerschnitt in eine größere Anzahl von parallelen Teilen
zerlegt wird, wobei die Steuerwicklung zwischen den einzelnen Zweigen hindurchgeführt
wird.
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Die Wirkung dieser Verbesserung wird im folgernden erläutert: Wenn,
wie dies in dem Hauptpatent angegeben ist, zwei Fenster den Kraftfluß durchsetzen,
durch die die Steuerwicklung hindurchgeführt ist, so sind diese beiden Fenster in
bezug auf den Hauptfluß, der beispielsweise von einem permanenten Magneten geliefert
wird., in Reihe geschaltet. Die Verhäl.tnis:se hierfür sind in Fig. i der Zeichnung
wiedergegeben. -DH ist der Hauptfluß, der beispielsweise von einem permanenten Magneten
aufgedrückt wird. Dieser fließt durch die Stege S1 ... S4, die seitlich der
Fenster Fr und F2 bestehenbleiben. Diesem Fluß steht ein Ouerschnitt q zur Verfügung,
von tdem je eine Hälfte links und rechts der Sperrfenster liegt. Dementsprechend
fließt auch .die eine Hälfte -des Flusses rechts, dir andere links der Fenster.
Bei einer zusätzlichen örtlichen Magnetisierung werden zusätzliche Flüsse Osl und
Ost erzeugt, -die :sich dem Hauptfluß überlagern. In ?den Stegen S, und S4 fällt
-die Richtung von Hauptfluß und zusätzlichem Fluß zusammen. Es kann hier im Hinblick
auf die Sättigung keine wesentliche Steigerung .des Flusses eintreten. In den Stegen
S2 und S3 wirken Hauptund. zusätzlicher Fluß gegeneinander; die Magnetisierung fällt
deshalb weit unter,das Sättigungsknie herab. Wenn die Magnetisierung Ms der zusätzlichen
Magnetisierung den Wert der Magnetisierung ,'V IR des Hauptflusses überschreitet
(Fig. -t), kann, insbesondere soweit hierbei für das magnetische Material Stoffe
hoher Permeabilität gewählt sind, bei sehr kleinen Änderungen von .11s (d .11s in
Bild;) eine Umkehr ides Flusses erfolgen. Man sieht also, daß bei dieser Anordnung
zwei derartige Stellen, an denen die Richtung des Flusses umgekehrt wird (SE und
S3) in Reihe geschaltet sind. Dementsprechend entfällt auf jede solche Stelle SZ
und S3 die Hälfte von Ms. In dem Beispiel ist angenommen, d'aß MS 3oo Ampere beträgt.
Wenn also die Ummagnetisierung erst -dann erfolgen soll, wenn der durch die Fenstergeführte
Strom 3oo Ampere erreicht, muß die Magnetisierung des Hauptstromes l1#111 gleichfalls
3oo Ampere entsprechen. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die beiden Fenster F1
und F2 statt hintereinander nebeneinander angeordnet. Der Querschnitt verteilt sich
hierbei auf die Hälfte in der Mitte zwischen den beiden Fenstern und je ein Viertel
zu den @beiden Seiten. Die Magneti:sierungsrichtung bei der zusätzlichen örtlichen
Magnetisierung ist hierbei so angenommen, daß die hierdurch in dem Mittelstück S2
bedingte Flußrichtung :der Richtung des- Hauptflusses entgegengesetzt ist. Auf diese
Stelle entfällt demnach ebenso wie bei Fig. i eine Magnetisierung MS von
Ampere. Wenn also eine Umkehr erst bei einer zusätzlichen Magnetisierung von 3oo
Ampere eintreten soll, genügt es demnach, einen Hauptfluß entsprechend einer Magnetisierung.HH
von i5o Ampere vorzusehen.
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Wenn man weitergeht und, wie in Fig. 3 dargestellt ist, Iden Eisenkörper
mit vier nebeneinanderliegenden (parallel geschalteten) Fenstern versieht, so reichen
unter im übrigen gleichen Voraussetzungen 75 Ampere zur Erzeugung :des Hauptflusses
aus.
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Man sieht hieraus, daß man je nach der gewählten Anordnung (Hintereinander-
oder Parallelschaltung mehrerer Fenster) das Verhältnis zwischen der zusätzlichen
örtlichen Magnetisierung und dem Hauptfluß in weiten Grenzen beliebig ändern kann.
In den meisten Fällen wird es wertvoll sein, den Aufwand für die Hauptmagnetisierung,
die beispielsweise durch einen permanenten Magneten hervorgerufen wird, sehr klein
zu halten, wofür durch die Nebeneinaniderschaltung (Parallelschaltung) mehrerer
Fenster ein geeigneter Weg gewiß ist. Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist
nicht auf die -dargestellten Ausführungsbeispiele und Möglichkeiten beschränkt;
insbesondere kann es unter Umständen auch erwünscht sein, das Verhältnis zwischen
Hauptfluß und den für die örtliche Magnetisierung verwendeten Strom zu verkleinern,
was sinngemäß durch Hintereinan@derschaltung einer größeren Anzahl von Fenstern
erreicht werden kann.
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Ebenso ist die Anwendung auch nicht auf Gleichstrom beschränkt. Bei
einer zusätzlichen t'mmagnetisierung mit y@"echselstrom ändert sich lediglich die
Aufgabeverteilung zwischen den einander parallel geschalteten Stegen zu den beiden
Seiten
der Fenster. Die resultierende Wirkung auf den Fluß bleibt
jedoch im wesentlichen dieselbe. Da sich die Ummagnetisierung durch die zusätzliche
Wechselstromerregung auf die Teile zwischen den Fenstern im wesentlichen beschränkt,
also nur kleine Volumen hiervon erfaßt werden, ergeben sich hierbei geringe Verluste.
Um diese besonders klein zu halten, kann in bekannter Weise für den Eisenkörper
lamelliertes Eisen verwendet werden, das aber unter Umständen auf den Teil beschränkt
werden kann, auf den die örtliche Magnetisierung begrenzt ist.
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Wenn man bei der Anordnung nach der Erfindung die Stromrichtung umkehrt,
tritt die Wirkung bei einer etwas abweichenden Stromstärke ein. Die Abweichung ist
um so 'kleiner, je größer die Zahl der parallelen Zweige ist. Sie hat ihre Ursache
in einer Unsymmetrie, welche die Nebeneinanderanordnung nach Fig. 2, 3 von der Reihenanordnung
nach Fig. i unterscheidet und darin besteht, daß an den inneren Stegen S2 (Fis.
2) und S2, SS, S4 (Fis. 3) beiderseitig stromdurchflossene Leiter
vorbeigeführt sind, während bei den äußeren beiden Stegen S1 und S3 (Fis. 2) und
S1 und SS (Fis. 3) nur an einer, nämlich der inneren Seite ein Stromleiter vorbeiführt.
Man kann diese Richtungsabhängigkeit dadurch beseitigen, daß man den Steuerstrom
auch an den äußeren Stegen beiderseits vorbeiführt. Zweckmäßig ist es z. B. bei
den Anordnungen nach Fig. 2 und 3, an den Außenseiten der Stege,den halben Strom
vorbeizuführen, der die Fenster durchsetzt, wie dies in Fig. 2a . und 3 a angegeben
wird.
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Die Fig. 5 bis 8 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen
Steuermagneten für 3oooATnpere normalen Betriebsstrom und 6ooo Ampere Steuerstrom
mit zehn parallelen Zweigen in zwanzig Fenstern. Der permanente Magnet braucht hierbei
nur ein Zwanzigstel der Länge zu haben, idie er bei Reihenanordnung nach Fig. i
haben müßte, und der Querschnitt des Magneteisens braucht dabei nicht größer gemacht
zu werden. Die Fig. 5 stellt die Vorderansicht, Fig. 6 die Ansicht von oben, Fig.
7 die Ansicht des Schnittes A-A von Fig. 5 dar. Fig.8 veranschaulicht die Anordnung
der Stromleiter mit den magnetisch sich sättigenden Eisenstegen in perspektivischer
Darstellung. Der permanente Magnet io, der den Hauptfluß erzeugt, sitzt zwischen
den aus gewöhnlichem Eisen bestehenden Schenkeln i i und 12 eines ferromagnetischen
Kreises. Oben schließt sich der ferromagnetische Kreis durch einundzwanzig Stege
13 bis 33 aus hochwertigem Magnetblech, z. B. Permalloy C, die in Nuten bzw. Sägeschnitte
der Schenkeleisen 11, 12 eingesetzt sind, wie Fig. 5 und 6 erkennen lassen. In dem
Schenkeleisen 12 ist der Spalt 34 angeordnet, 35 ist der Magnetanker, der unter
dem Zug der Feder 36 steht. Das Schenkeleisen i i ist mit einem Fortsatz 37 versehen.
Zwischen diesem und dem Schenkeleisen 12 befindet sich ein Schutzspalt 38, der den
Zweck hat, den permanenten Magneten vor Beschädigung zu schützen. Am unteren Ende
der Polschenkel sind die beiden Schenkel 39, 4o angesetzt, die den Regelspalt 41
einschließen. Dieser dient zur Stromeinstellung; sein magnetischer Widerstand kann
mit Hilfe eines Eisenschlußstückes 42 verändert werden. Der Schutzspalt 38 und die
Spalte 34 und 41 sind mit Kupfer ausgefüllt, -um einen mechanisch festen Aufbau
zu erzielen.
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In Fig. 6 sind die zwanzig Fenster zu erkennen, die von den Stegen
13 .bis 33 und den oberen Enden der Schenkeleisen 11, 12 gebildet werden, und durch
welche die Leiter 44 bis 63 von oben nach unten hindurchgeführt sind. An den Enden
liegen noch die Leiter 64, 65, die den halben Querschnitt haben und daher den halben
Strom führen, wie die durch die Fenster hindurchgeführten Leiter. Die Stege 13 bis
33 können in die genuteten Enden der Eisenschenkel i i, 12 leicht eingesetzt werden.
Diese Ausführung hat besondere Vorteile für den Zusammenbau des Steuermagneten.
Die Stromleiter werden durch die kammartig ausgefrästen Enden zweier parallel angeordneter
stromleitender Platten 66, 67 gebildet, die mit Zwischenräumen für die Stege ineinandergreifen
und am Ende des kammartigen Teiles untereinander zwecks Parallelschaltung verbunden
sind- (Fis. 8). Die Verbindung wird durch leitende Zwischenlagen 68 hergestellt.
Der Zusammenbau erfolgt so, daß zuerst die Leiteranordnung (Fis. 8) zwischen die
Schenkel i 1, 12 eingeführt und dann (die magnetischen Stege 13 bis 33 zwischen
die Leiter eingeschoben und in die Nuten der Schenkel 11, 12 eingesetzt und mit
ihnen fest verbunden werden.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Bei normalem Betrieb führen die die
Fenster durchsetzenden Leiter einen Strom von
== 286 Ampere, die Außenleiter je 143 Ampere. Der Fluß des permanenten Magneten
io, getrieben von einer magnetischen Spannung von 28o Ampere, geht ungehindert durch
die Stege 13 bis 33, die er alle nach einer Richtung magnetisch sättigt, hindurch.
Der Anker 35 lvird mithin durch den magnetischen Haltefluß festgehalten. Wächst
-der Gesamtstrom etwa durch einen Kurzschluß auf 6ooo Ampere und damit der Strom
in jedem Leiter auf 572 Ampere, so entsteht an den Stegen eine magnetische Gegenspannung
von 286 Ampere, die die Umkehr des Flusses in jedem zweiten Steg bewirkt. Der Hauptfluß
schließt sich jetzt über den magnetischen Ndbenschluß 37, 38 und der Anker wird
durch die Feder 36 abgezogen.
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Auf die rechten Enden der Stege 13 bis 33 sind Spulen 69 aufgewickelt.
Die Windungen liegen alle in Reihe. Jede Spule habe zwanzig Windungen. Um die magnetische
Gegenspannung von 286 AW zu erzielen, sind somit 286/2o = 14,3 Ampere erforderlich.
Mit diesem kleinen Strom kann der Magnet in den gleichen Zustand versetzt werden,
wie durch den Kurzschlußstrom von 6ooo Ampere.