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Zusammengesetzter elektrischer Leiter Die Erfindung bezieht sich auf
elektrische Leiter, insbesondere auf zusammengesetzte Leiter, die aus einer Mehrzahl
gegeneinander isolierter leitender Lamellierungen hergestellt sind. In dem Aufsatz
vReduction of Skin Effect Losses by Use of Laminated Conducthrsa. auf S. 491 bis
529, in »Bell System Technical journalcc, Juli 101, ist eine Anzahl zusammengesetzter
Leiter behandelt, von denen jeder mehrere isolierte Leiterelemente enthält; die
Anzahl, die Abmessungen und die Anordnung dieser Leiterelemente mit Bezug aufeinander
und mit Bezug auf die Richtung der darin fortzupflanzenden elektromagnetischen Welle
sind derart gewählt, daß eine günstigere Aufteilung des . Stroms und des Feldes
innerhalb des leitenden Materials gewährleistet ist. Bei mehreren speziellen Ausführungsformen
besteht der zusammengesetzte Leiter aus einem Stapel, der eine Vielzahl dünner,
koaxial angeordneter Metall-Lamellierungen enthält, die mittels dünner Isolierschichten
gegeneinander isoliert sind und eine solche Lage einnehmen, daß die kleinsten Dimensionen
jeder Lamellierung in einer Richtung verlaufen, welche zur Fortpflanzungsyichtung
der Welle und zum magnetischen Vektor senkrecht steht. Jede Metall-Lamellierung
ist zweckmäßig um ein Vielfaches, beispielsweise das Zehn-, Hundert- oder sogar
das
Tausendfache kleiner als der Faktor 8, welches die Einheit der Hautdicke oder der
Hauteindringtiefe bezeichnet. Der Abstand 8 ergibt sich aus der Gleichung:
wobei ö in Meter ausgedrückt wird und f die Frequenz in Hertz, ,u die Permeabilität
des Metalls in Henry pro Meter und o die Leitfähigkeit in Siemens pro Meter darstellt.
Der Faktor 8 gibt die Strecke an, auf welcher der Strom und das Feld, die in einen
Metallstreifen mit einer Dicke eines Mehrfachen von 8 eindringen; um -ein Neper
abnehmen, d: h. ihre Amplitude gleich dem
36; gfachen ihrer Amplitude an der Oberfläche des Metallstreifens wird.
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In dem eingangs erwähnten Aufsatz.ist ausgeführt, daß bei Ausbildung
eines Leiters mit. einer solchen Lamellierung eine längs des Leiters mit einer Geschwindigkeit
im Bereich eines bestimmten kritischen Wertes sich fortpflanzende Welle tiefer in
den Leiter eindringt (oder sogar den Leiter vollständig durchdringt), als sie in
einen zusammenhängenden Leiter aus dem gleichen Material eindringen würde, und.
daß sich daraus eine gleichförnügere Stromverteilung in dem lamellierten Leiter
und demgemäß niedrigere Verluste ergeben. Die kritische Geschwindigkeit für die
erläuterte Art des Aufbaus ist bestimmt durch die Dicke der Metall- und Isolierschichten
in den zusammengesetzten Leitern. Bei einer speziellen Ausführungsform, bei welcher
zweikoaxial angeordnete zusammengesetzte Leiter (Stapel) mittels eines dielektrischen
Gliedes voneinander getrennt sind, kann die. kritische Geschwindigkeit aufrechterhalten
werden, indem man die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Zwischengliedes
entsprechend der folgenden Gleichung bemißt:
wobei er die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Zwischenelementes in Farad
pro Meter, E2 die Dielektrizitätskonstante des zwischen den Leiterschichten befindlichen
Isoliermaterials in Farad pro Meter, W die Stärke einer Metall-Lamellierung in Meter
und t die Stärke einer Isolier-Lamellierung in Meter bezeichnet. Die Isolier-Lamellierungen
sind ebenfalls sehr dünn ausgeführt; eine optimale Stärke für bestimmte Ausführungen
dieser allgemeinen Art besteht dann, wenn jede- Isolier-Lamellierung halb so stark
ist wie eine Metall-Lamellierung.
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Ein Ziel der Erfindung besteht 4arin, die Stromverteilung bei Zusammenstellungen
der .beschriebenen allgemeinen Art zu verbessern. -Bei Zusammenstellungen der oben
erläuterten Art läßt sich .die er.-forderliehe Geschwindigkeit der Wellenfortpflanzung
durch Verwendung magnetischen Materials für die Belastung verwirklichen. Die Verwendung
magnetischen Materials ermöglicht die Nutzbarmachung dielektrischer Materialien
mit geringer Dielektrizitätskonstante. Der Vorteil aller dieser Anordnungen besteht
darin, daß die Stromdichte in dem zusammengesetzten Leiter verringert wird und daß
demgemäß die Verluste eine Verringerung erfahren.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Wirkung
von magnetischer Belastung ohne Verwendung magnetischen Materials nachgebildet werden
kann, und zwar durch geeignete wendelförmige Führung jeder leitenden Lamellierung.
Bei einer solchen Anordnung kann das dielektrische Zwischenmittel im wesentlichen
aus Luft bestehen, d. h., es läßt sich geeignetes dieelektrisches Schaummaterial
verwenden, dessen Dielektrizitätskonstante nur wenig über i liegt. Dieser Umstand
ist für solche Fälle sehr bedeutungsvoll, wo dielektrische Verluste einen maßgebenden
Einfluß haben. .
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht jede Lamellierung
aus einem wendelförmig gewickelten Band; wobei die Ganghöhe der verschiedenen Schichten
konstant gehalten wird. Nach einer anderen Ausführungsform wird die Ganghöhe von
Schicht zu Schicht. geändert, derart, daß der Abstand zwischen benachbarten Windungen
jeder Wendel konstant bleibt. Bei einer noch'anderen Ausführungsart werden die Ganghöhe
und der Abstand zwischenbenachbarten Windungen konstant gehalten, während die Breite
des Bandes mit zunehmendem Durchmesser der Lamellierung größer wird. Jede Lamellierung
kann aus einer Wendel oder gewünschtenfalls aus mehreren Wendeln hergestellt werden.
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Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit
der Zeichnung leichter verständlich ; in der Zeichnung zeigt Fig. i eine Längsansicht
eines koaxialen, zusammengesetzten.Leiters, wobei Teile des Leiters abgebrochen
sind und jeder Leiter oder Stapeleine Vielzahl isolierter metallischer Schichten
aufweist; die beiden Stapel sind mittels eines dielektrischen Zwischenteils voneinander
getrennt, und die Metallschichten in wenigstens einem der Stapel werden von wendelförmig
gewickeltem Material gebildet, Fig. 2 eine Stirnansicht eines zusammengesetzten
Leiters nach Fig. i, -Fig:.3 eine der Fig: i entsprechende Längsansicht einer abweichenden
Anordnung, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Windungen jeder Wendel
durch fortschreitende Änderung der Ganghöhe von Schicht zu Schicht konstant gehalten
wird; Fig. q. eine der Fig. i entsprechende Längsansicht einer weiteren Ausführungsform,
wobei sowohl die Ganghöhe als auch der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Windungen
jeder Wendel konstant sind, Fig. 5 eine entsprechende Längsansicht einer Anordnung,
bei -welcher jede Metallschicht innerhalb des zusammengesetzten Leiters von zwei
Wendeln gebildet wird, Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Ansieht einer abweichenden
Ausführungsform.
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Die Fig. = lind 2 veranschaulichen zum Zwecke der Erläuterung der
Erfindung beispielsweise einen Leiter io, wobei Fig. i eine Längsansicht und Fig.
2 eine Stirnansicht darstellt. Der Leiter io uinfaßt einen zentralen Kern il, der
entweder aus Metall oder aus dielektrischem Material bestehen kann, einem inneren
Leiter oder Stapel i2, der .sich aus vielen Metallschichten
13A
und 13P... mit dazwischen angeordnetem Isoliermaterial 14A, 14B... zusammensetzt,
einem äußeren Leiter oder Stapel 15, der ebenfalls aus einer Vielzahl von Metallschichten
16A, 16B, 16C... gebildet wird und Zwischenschichten 17A, 17B ... aus
Isoliermaterial enthält; der äußere Leiter 15 ist von dem inneren Leiter 12 durch
ein dielektrisches Zwischenteil 18 getrennt. Nach außen ist der Leiter mittels eines
Mantels 1g aus Metall oder anderem geeigneten Abschirmmaterial abgeschlossen. Jede
der Metallschichten 13A, 13B..., r6A, 16B: . . ist im Vergleich zu -der Hauteindringtiefe
des verwendeten Leitermaterials sehr dünn ausgeführt; das Leitermaterial kann beispielsweise
Kupfer, Silber oder Aluminium sein. Die Isolierschichten 14A, 14B. . . und 17A,
17B... sind ebenfalls sehr dünn gehalten und können aus irgendeinem geeigneten Material
bestehen. Als zweckdienliche Isolierungen haben sich Luft, Polyäthylen, Polystyrol,
Quarz, Kunststoffschaum und anderes geeignetes Schaummaterial erwiesen. Die Isolierschichten
erhalten vorzugsweise eine Stärke in der Größenordnung von der halben Dicke jeder
Metallschicht, wenn dies auch nicht notwendigerweise für alle Fälle gilt. Der innere
Leiter 12 enthält zehn oder hundert oder noch mehr Metallschichten 13 A, 13 B,.
und der äußere Leiter 15 ist aus einer im wesentlichen ähnlichen Anzahl von Metallschichten
16 A, 16 B,
16 C. . . zusammengesetzt. Es ist indessen nicht nötig,
daß die Metallschichten des Außenleiters zahlenmäßig mit denen des inneren Leiters
12 übereinstimmen.
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Da eine große Anzahl von Isolierschichten und metallischen Schichten
vorgesehen ist, ist es ohne Bedeutung, ob die erste oder letzte Schicht in jedem
Stapel 12, 15 aus Metall oder aus Isoliermaterial besteht. Der dielektrische Teil
18 kann auch aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Wenn unmagnetisches
Material zur Verwendung kommen soll, so wird dasselbe vorzugsweise so- gewählt,
daß der dielektrische Verlust in dem Material so gering ist, wie es praktisch erwünscht
sein mag, und s i, d. h. die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante des Teiles
18, in Farad pro Meter so klein wie möglich ausfällt. Demgemäß ist für den dielektrischen
Teil 18 ein Material erwünscht, dessen relative dielektrische Konstante so nahe
wie möglich bei i liegt. Ein solches Material kann beispielsweise Luft oder ein
geeigneter Kunststoffschaum oder ein sonstiges Schaummaterial sein, dessen Dielektrizitätskonstante
den Wert i nur wenig überschreitet. Damit die Phasengeschwindigkeit in Richtung
der Übertragung den geeigneten Wert (nicht notwendigerweise den Wert, der nach Gleichung
(2) erhalten werden kann) erhält, um das gewünschte Ergebnis zu liefern, können
viele und zweckmäßig alle Leiter 13 A, 13 B. . .,. 16 A, 16
B, 16 C. . . in einem oder in beiden Stapeln wendelförmig ausgebildet sein,
wodurch die Induktanz pro Längeneinheit vergrößert und magnetisches Material .überflüssig
gemacht wird. Wenn nur einer der Stapel in Wendelform hergestellt wird, so sollte
es zweckmäßig der äußere sein. Bei der Anordnung nach Fig. i und 2 ist jede der
wendelförmig gewickelten leitenden Schichten 13 A, 13 B. . ., 16
A, 16 B, 16 C. . . in der gleichen Ganghöhe ausgeführt, d. h., der
Winkel, En die Längsachse jedes Bandes rriit einer Geraden einschließt, welche parallel
zur Achse des zusammengesetzten Leiters verläuft, und eine Tangente am Umfang der
Isolierschicht bildet, auf welcher das Band, aufgewickelt ist, ist für alle Schichten
gleich. Dies hat zur Folge, daß der Abstand S zwischen benachbarten Windungen der
gleichen Wendel größer wird, da der Radius von der Schicht 13 A bis zur Schicht
16 C zunimmt, wobei angenommen wird, daß die Breite W des Bandes für alle Schichten
gleichbleibt.
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Fig. 3 ist eine Längsansicht eines Leiters 2o; von w ächem Teile weggebrochen
sind und welcher eine geänderte Ausführung des Leiters 1o nach Fig. i und 2 bildet.
Der Leiter 2o unterscheidet sich von dem Leiter 1e dadurch, daß die verschiedenen
leitenden Schichten 13 A, 13 B..., 16 A, 16 B, 16 C....
durchweg
gleichen Windungsabstand S haben. Zur Erfüllung dieser Bedingung ist die Ganghöhe
bei den verschiedenen leitenden Schichten unterschiedlich. Die Breite W der verschiedenen
leitenden Schichten ist ebenfalls -konstant. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß
die Länge der äußeren Schichten größer ist als die Länge der inneren Schichten.
Bei besonders dünnen Schichten ist dieser Nachteil aber nicht kritisch.
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Bei dem Leiter 3o nach Fig. 4 sind die verschiedenen leitenden Schichten
13 A, 13 B. . ., 16 A, 16 B, 16 C mit gleicher Ganghöhe
ausgeführt, wie dies auch bei dem Leiter 1o nach Fig. i der Fall ist, aber der Windungsabstand
S ist konstant gehalten, indem zeit zunehmendem Durchmesser die Breite W jeder Schicht
größer gewählt wird. Diese Anordnung ist von der die Fig.1, 3 und 4 umfassenden
Gruppe zu bevorzugen; da es sehr erwünscht ist, die Ganghöhe konstant zu halten
und es gleichzeitig vorteilhaft ist, den Abstand S zwischen benachbarten Windungen
jeder leitenden Schicht so klein wie möglich zu halten, damit jede Schicht im wesentlichen
von leitendem Material gebildet wird. Es ist jedoch klar, daß der Abstand S größer
als Null sein muß, da jede Windung von den Nachbarwindungen getrennt sein muß, um
eine Kurzschließung der Windungen zu vermeiden.
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Bei jedem der Leiter 4o und 5o nach Fig. 5 und 6 enthält jede Schicht
eine Mehrzahl von Wendeln. Bei dem Leiter 4o ist die erste Gruppe von Wendeln, die
mit 41, 42, 43, 44 bezeichnet sind, der Gruppe von Schichten 13 A, 13
B. . ., 16 A, 16 B nach Fig. i ähnlich, während die zweite Gruppe von Wendeln
44, 45, 46, 47 den leitenden Schichten 13 A, 13 B. . ., 16
A, 16 B in dem Leiter 3o nach Fig. 4 ähnlich ist. Bei dem
Leiter 5o nach Fig. 6. hat die Gruppe von Wendeln 51, 52, 53, 54, 55 @nlichkeit
mit der entsprechenden Gruppe des Leiters io in Fig. i, während die Gruppe von Wendeln
56, 57, 58, 59,- 6o ebenfalls den Wendeln nach Fig. i ähnlich ist, obwohl lediglich
zur beispielsweisen Darstellung die zweite Gruppe von Wendeln- eine kleinere Breite
W 2 aufweist als die erste Wendelgruppe mit der Breite W1. Offensichtlich kann eine
beliebige Anzahl von Wendeln in jeder Schicht vorgesehen sein. Es ist außerdem verständlich,
daß verschiedene Wendelkombinationen vorgesehen werden können, die von den in Fig.
5 und 6 veranschaulichten Kombinationen abweichen. Eine alternative
Aüs'fühlung
läßt sich durch Verwendung magnetischeri7Materials verwirklichen, um einen Teil
der gewünschten Gesamtbelastung zu erhalten, während die restliche Belastung in
der erläuterten Weise erhalten wird.
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Es ist verständlich, daß-die erläuterten Ausführungsformen xre Beispiele
für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sein sollen. Zahlreiche Änderungen
können vom Fachmann durchgeführt werden,--ohne jedoch dadurch von dem Wesen der-
Erfindung abzuweichen und den Beretch- der Erfindung zu verlassen.