DE971616C - Mit einer oder mehreren Wicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes versehener, annaehernd geschlossener ferromagnetischer Kreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer oder mehreren Wicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes versehenen, annähernd geschlossenen ferromagnetischen Kern aus hochpermeablem Material, in welchem eine Vormagnetisierung mittels eines in einem Spalt vorgesehenen Dauermagneten erzeugt ist, der aus einem Material mit einer Koerzitivkraft von wenigstens 750 örsted besteht und im wesentlichen in Richtung seiner kleinsten Abmessung magnetisiert ist.

Es ist bereits eine ähnliche Kernanordnung bekannt, bei der aber über das Material des Dauermagneten und seine Magnetisierung nichts ausgesagt ist. Der Dauermagnet liegt hierbei in einem Spalt, der durch Kernflächen begrenzt ist, die kleiner sind als die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Kernes im Bereich der Wicklung, und der senkrecht zur Flußrichtung des magnetischen Wechselfeldes angeordnet ist. Die Dicke des hierfür benötigten Dauermagneten ist relativ groß, so daß durch den Dauermagneten ein großer magnetischer Widerstand für den Wechselfluß entsteht. Ferner läßt sich durch die beschränkte Größe der Polflächen eine ausreichend hohe Vormagnetisierung in vielen Fällen nicht erreichen.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen und einen Kern zu schaffen, in. dem ein hohes voTinagnetisierendes Feld erzeugt wird, wobei der Widerstand des Kernes gegen den magnetischen Wechselkraftfluß möglichst gering bleibt. Die Erfindung weist das Merkmal auf, daß der Dauermagnet einen Spalt ausfüllt, der durch Kernflächen begrenzt ist, die wesentlich größer sind als die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Ker-

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nes im Bereich der Wicklung, und der im, wesentlichen in Fluß richtung des magnetischen Wechselfeldes liegt. Hierdurch wird erreicht, daß ein flacher Dauermagnet mit großen Polflächen im ferromagnetischen Kern untergebracht werden kann ohne wesentliche Vergrößerung der Kernabmessungen. Es läßt sich somit eine für alle Zwecke ausreichend hohe Vormagnetisierung erzeugen, ohne daß der magnetische Wechselfeldwiderstand ίο des Kernes wesentlich erhöht wird.

Die Erfindung kann z. B. bei einem. Frequenzvervielfacher oder bei einem magnetischen Modulator Anwendung finden, bei dem der ferromagnetische Kern vom Vormagnetisierungsfeld bis nahezu in die Sättigung gebracht wird.

Die Erfindung ist auch bei einem Transformator mit ferromagnetischem Kern anwendbar, bei dem eine Wicklung sowohl von Wechselstrom, als auch von Gleichstrom durchflossen wird, wobei mittels ao des Dauermagneten die Vormagnetisierung des ferromagnetischen Kernes infolge dieses Gleichstroms ausgeglichen wird.

Die Erfindung kann weiter bei einem Impulstransformator Anwendung finden, bei dem der in der einen Richtung vom Vormagnetisierungsfeld gesättigte ferromagnetische Kern durch ein impulsförmiges Wechselfeld in entgegengesetzter Richtung zur Sättigung gebracht wird.

Weiter ist die Erfindung bei einem Betatron mit einem zentralen Kern anwendbar, dar ebenfalls durch ein Vormagnetisierungsfeld zur Sättigung gebracht und durch die eine Phase der Wechselspannung in entgegengesetzter Richtung gesättigt wird.

Es sei noch erwähnt, daß es bereits bekannt ist, einen mit zwei Wicklungen versehenen, offenen ferromagnetischen Stabkern mittels eines U-förmigen Stahlmagneten vorzumagnetisieren. Der Stabkern ist hierbei zwischen den Schenkeln des Stafolmagneten angeordnet, so daß der magnetische Wechselfluß auch über den Stahlmagneten geht. Hierdurch wird der Wechselfluß aber erheblich gedämpft. Außerdem beansprucht die gesamte Anordnung viel Raum.

Die Erfindung wird an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. ι zeigt die Magnetisierungskurve eines Dauermagneten, der bei der Erfindung zur Anwendung kommt, und

Fig. 2 diejenige des ferromagnetischen Kernes. In den Fig. 3 bis 8 sind ferromagnetische Kerne nach der Erfindung dargestellt, dia als Frequenzvervielfacher bzw. Transformatoren mit Vormagnetisierung Anwendung finden können.

Fig. 9 bezieht sich auf ein Betatron nach der Erfindung.

In den Figuren sind, übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Frequenzvervielfacher nach Fig. 3 enthält einen Kern 1 aus hochpermeablem ferromagnetischem Material, eine Primärwicklung 2, eine Sekundärwicklung 3 und einen Dauermagneten 4, der in einem Spalt des Kernes 1 angeordnet ist. Die Wicklungen 2 und 3 sind deutlichkeitshalber nebeneinander dargestellt, können jedoch selbstverständlich auch übereinander angeordnet oder bifilar gewickelt sein. Die Dicke d des in Richtung seiner " kleinsten Abmessung magnetisierten Dauermagneten 4 wird durch die Größe der Sättigungsfeldstärke H_s (Fig. 2) und die Länge des Kernes 1 bestimmt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man durch Verwendung eines an sich bekannten Dauermagneten mit einer Koerzitivfeldstärke Bⁿc größer als 750 Örsted (Fig. 1) die Möglichkeit hat, den vom Magneten 4 verursachten magnetischen Widerstand für ein mittels der Wicklungen 2 und/oder 3 erzeugtes magnetisches Wechselfeld beträchtlich herabzusetzen, wodurch das Streufeld des Magnetkreises möglichst gering gehalten wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist dies dadurch erreicht, daß der Dauermagnet 4 eine Oberfläche O₄ aufweist, die beträchtlich größer als die Querschnittsfläche O₁ des Kernes 1 bei der Wicklung 2 ist, während der Spalt, den der Dauermagnet 4 ausfüllt, im wesentlichen in Flußrichtung des magnetischen Wechselfeldes liegt. Infolgedessen ist der vom Magneten 4 gebildete magnetische Widerstand im Verhältnis der Flächen O₁:0₄ geringer (es wird angenommen, daß die Querschnittsfläche des Kernes 1 konstant ist); die Breitenabmessung b des Kernes 1 hat nur um die Dicke d des Magneten 4 zugenommen.

Diese Dicke d ist bei Verwendung eines dauermagnetischen Materials mit einer hohen Koerzitivfeldstärke Bⁿc von mehr als 750 örsted so· gering, daß die Gesamtabmessung des Kernes 1 im wesentlichen gleich bleibt. Hat dieses Material außerdem eine verhältnismäßig niedrige remanente Induk-

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tion B_r, z. B. -—- kleiner als 4, so zeigt es sich, daß

die Hysteresisverluste dieses Materials infolge der auftretenden Wechselfelder gering werden. Ein für die Zwecke der Erfindung hervorragend geeignetes dauermagnetisches Material, das sowohl eine 750 Örsted überschreitende Koerzitivfeldstärke als auch praktisch keine Hysteresis- und Wirbelstromverluste aufweist, besteht aus im wesentlichen nicht-kubischen Kristallen von Polyoxyden des Eisens und wenigstens einem Oxyd der Metalle Barium, Strontium, Blei und gegebenenfalls Calcium. Dieses Material eignet sich durch seine nichtkubische Kristallstruktur außerdem vorzüglich, wenn starke magnetische Wechselfelder im Kern wirksam sind, wie im folgenden erläutert wird.

Fig. 4 zeigt eine Verbesserung der Anordnung nach Fig. 3, da die magnetischen Kraftlinienkonzentrationen an den Querschnitten A und B in Fig. 3 vermieden sind, indem der Magnet 4 unter einem geringen Winkel zur Längsachse 5 eines Schenkels des Kernes 1 angeordnet ist.

Die Anordnung nach Fig. 5 zeigt eine noch stärkere Oberflächenvergrößerung des Magneten 4, ohne daß Kraftlinienkonzentrationen auftreten, wo^ bei in mehreren Schenkeln des Kernes 1 Teile des

Dauermagneten 4 jeweils im gleichen Winkel zur Längsachse 5 des betreffenden Schenkels angeordnet sind. Gegebenenfalls kann man den Magneten 4 auch innerhalb des die Wicklungen 2 und 3 tragenden Schenkels anbringen, obwohl hierdurch der Durchmesser dieser Wicklungen größer und infolgedessen mehr Wickeldraht benötigt wird.

Fig. 6 zeigt einen dreischenkligen ferromagnetischen Kern. Der Magnet 4 hat entsprechend Fig. 4 eine vergrößerte Oberfläche. Diese Oberfläche kann gegebenenfalls in der in Fig. 5 dargestellten Weise noch weiter vergrößert werden, indem der mit der Längsachse 5 gebildete Winkel kleiner gewählt wird.

Falls das ferromagnetische Material eine sehr hohe Sättigungsinduktion B_s hat, kann gegebenenfalls ein Kern nach Fig. 7 verwendet werden. Hierbei enthält der ferromagnetische Kern aufeinander gestapelte lamellierte Eisenbleche (12 ... 16) oder ein anderes ferromagnetisches Material in Form eines U, dessen Schenkel abwechselnd nach unten (12, 14 und 16) und nach oben (13 und 15) gerichtet sind. Auf den rechten Schenkeln sind die Wicklungen (nicht dargestellt) angeordnet; zwischen einem oder mehreren folgenden Blechen sind an den linken Schenkeln Dauermagnete 4 in Form dünner Schichten angebracht, die in Richtung N-S ihrer kleinsten Abmessung magnetisiert sind, und zwar derart, daß sämtliche vormagnetisierenden Kraftflüsse im rechten Kernschenkel in gleicher Richtung verlaufen. Auf diese Weise wird in diesem rechten Schenkel ein sehr großes vormagnetisierendes Feld erzeugt. Dieser rechte Schenkel kann mit nach der Form mit den Magneten 4 übereinstimmenden Blechen 17 aus ferromagnetischem Material versehen werden; diese Bleche können jedoch auch kürzer als die Schenkel bleiben, oder aber vollkommen weggelassen werden. Auch können sie durch ähnliche U-förmige Bleche ersetzt werden, so daß ein dreischenkliger Kern entsteht.— Auf ähnliche Weise kann man auch mittels Blechen in Form eines E einen dreischenkligen Kern erhalten.

Falls die Sättigungsinduktion B_s des ferroniagnetischen Materials verhältnismäßig niedrig ist, kann entsprechend Fig. 8 ein Teil C des ferromagnetischen Kernes 1 als magnetischer Nebenschluß parallel zum Dauermagneten 4 wirksam sein, wodurch der überflüssige Magnetkraftfluß über diesen Nebenschluß abfließt.

Ein Kern der in den Fig. 3 bis 8 dargestellten Art ist auch als Impulstransformatoir oder, falls mit drei Wicklungen versehen, als magnetischer Modulator verwendbar, wobei immer das ferromagnetische Material des Kernes 1 in der Krümmung der Magnetisierungskennlinie (Fig. 2) in der Nähe der Sättigungsinduktion B_s und das dauermagnetische Material bei einer Feldstärke H_w niedriger als die Koerzitivfeidstärke B^Hc betrieben wird,

Auch können die Kerne für einen z. B. in die Endstufe eines Radioempfangsgerätes aufgenommenen Transformator verwendet werden, wobei der Dauermagnet 4 dazu dient, die Gleichstromkomponente des die Primärtransformatorwicklung durchfließenden Stromes zu kompensieren. In diesem Fall soll die magnetische Induktion innerhalb des ferrotnagnetischen Kernes 1 beim Fehlen von Wechselströmen durch die Wicklungen 2 und 3 praktisch gleich Null sein.

Das dauermagnetische Material wird dann in einem Teil seiner Magnetisierungskennlinie (Fig. 1) praktisch gleich der Koerzitivfeidstärke B^H c betrieben. Aus der Forderung, daß die Amperewindungszahl des Gleichstroms durch die Wicklung 2 der Summe der Produkte der Feldstärke und des Weges durch den magnetischen Kern gleich sein muß, in entsprechenden Einheiten z. B. in A/cm bzw. in cm ausgedrückt, folgt, daß das Produkt der Koerzitivf eidstärke B ⁿ c und der Dicke d des Dauermagneten 4 etwa dieser Amperewindungszahl gleich sein muß.

Die Stärket des Magneten4 ist also durch die Größe des auszugleichenden Feldes und der Koerzitivfeldstärke festgelegt. In der Praxis soll diese Koerzitivfeldstärke wieder größer als 750 örsted sein, damit die Stärke d genügend klein bleibt, um dia Maßnahmen nach der Erfindung, wie sie in den Fig. 3 bis 8 dargestellt sind, zu ermöglichen.

Auch die Feldstärke, bei der dieMagnetisierungskennlinie nach Fig. 1 irreversibel zu werden beginnt, soll dabei beträchtlich größer als die Koerzitivfeldstärke B^üc sein, da der die Primärspule des Transformators durchfließende Wechselstrom, dessen Amplitude gewöhnlich nur etwas kleiner als der Gleichstrom ist, beim Fehlen einer Belastung an der Sekundärwicklung den Dauermagneten bis zu etwa der doppelten Koerzitivfeldstärke B ⁿ c aussteuern wird. Diese Irreversibilitätsfeldstärke liegt für Dauermagnetwerkstoffe mit nichtkubischer Kristallstruktur dicht in der Nähe der Schwundfeldstärke [Hc, wobei die Magnetisierung/ gleich Null wird. Der Wert von jH _c soll in diesem Fall also beträchtlich größer als der Wert für B^H c sein.

Es versteht sich, daß man durch Weglassen einer der dargestellten Wicklungen in ähnlicher Weise eine Drosselspule erhalten kann, z. B. die Siebdrossel eines Anodenstromspeisegerätes, deren Wicklung nicht nur von Wechselstrom, sondern auch von Gleichstrom durchflossen wird,, und bei der der Dauermagnet dazu dient, das magnetische Gleichfeld zu kompensieren.

Bei Verwendung des Kernes nach der Erfindung als Impulstransformator oder im allgemeinen als Vorrichtung zur Übertragung asymmetrischer Wechselströme soll ebenfalls die Schwundfeldstärke

die Koerzitivfeldstärke B^Hc beträcht

lich übersteigen, Bei einem derartigen Kern wird das ferromagnetische Material vom Dauermagneten etwa zur Sättigung gebracht. Die magnetische Induktion5_w, bei der das Dauermagnetmaterial betrieben wird, ist dann bis auf eine multiplikative Konstante, die durch die Geometrie der Anordnung bestimmt wird, gleich der Sättigungsfeldstärke B_s des ferrotnagnetischen Materials. Wird nun eine impulsförmige Schwingung (i in Fig. 2)

einer Wicklung des Kernes zugeführt, so wird diese das ferromagnetische Material in entgegengesetzter Richtung in die Sättigung bringen. Der Dauermagnet erreicht also dabei einen WertJ5_m der magnetischen Induktion,, der dem Induktionswert B_w gleich und entgegengesetzt ist.

Der dazugehörige Wert H_m der Feldstärke ist dann bedeutend größer als die Koerzitivfeldstärke B^Hc; er soll aber vorzugsweise geringer als die ίο Schwundfeldstärke ,H_c sein, da sonst die dauermagnetischen Eigenschaften die Neigung haben, sich zu verschlechtern. In diesem Fall soll das Material des Kernes eine derart niedrige Sättigungsfeldstärke B_s und einen solchen Querschnitt aufweisen, daß die Feldstärke im, Dauermagneten beim Überführen des ferromagnetischen Kernes in die entgegengesetzte Sättigung kleiner als die Schwundfeldstärke des Dauermagneten bleibt. Gegebenenfalls kann in diesem Fall ein schmaler Luftspalt im ferromagnetischen Kern erwünscht sein.

Ein Beispiel, bei dem mittels eines Dauermagneten eine Sättigung des ferromagnetischen Kernes herbeigeführt wird, wobei ein einer Wicklung zugeführter Wechselstrom das ferromagnetische Material periodisch in die entgegengesetzte Sättigung bringt, ist ein Betatron mit vormagnetisiertem zentralem Kern, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Der ferromagnetische Kern besteht dabei aus den Teilen 24, 25, 26, 27, die eine ringförmige Elektronenbeschleunigungsröhre 10 umschließen, und in denen mittels des eine Wicklung 2 durchfließenden Stromes ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Das von der Elektronenbahn in der Röhre 10 umfaßte magnetische Wechselfeld geht dabei mit einer elektrischen Feldstärke einher, die die Elektronenbeschleunigung herbeiführt; die magnetische Induktion an den Elektronen bewirkt, daß diese eine kreisförmige Bahn beschreiben. Zu diesem Zweck soll die magnetische Induktion in den zentralen Kernteilen 18 und 19 wenigstens das Zweifache, in der Praxis z. B. das Vierfache der Induktion an der Elektronenbahn sein. Durch eine richtige Polschuhausbildung, wobei in der Regel ein Luftspalt 28 vorgesehen werden muß, entsteht eine stabile Bahn.

Die Folge ist, daß das ferromagnetische Material der Kernteile 18 und 19 viel früher als dasjenige in der Nähe der Röhre 10 gesättigt ist. Da aber eine Beschleunigung nur während der Periode des Wechselstroms zwischen dem Null- und dem Maximumwert auftritt, kann man bekanntlich durch Erzeugung eines vormagnetisierenden Feldes, das das ferromagnetische Material in der einen Richtung gerade bis in die Sättigung bringt, dem Wechselfeld eine zweimal so· große Amplitude geben, bevor die Sättigung in der anderen Richtung erreicht wird. Diese Vormagnetisierung wird nach der Erfindung wieder mittels des Dauermagneten 4 herbeigeführt, dessen Magnetisierungsrichtung N-S ein verstärktes Feld im zentralen Kern 18, 19 erzeugt, während kein bzw., falls ein magnetischer Widerstand in den Teilen 26, 27 des ferromagnetischen Kernes vorhanden ist, ein entgegengesetzt gerichtetes Vormagnetisierungsfeld an der Elektronenbahn erzeugt wird; im letztgenannten Fall soll die Vormagnetisierung des zentralen Kernes 18, 19 niedriger als die Sättigung bleiben.

Die Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt. Zuweilen ist es z. B. wünschenswert, zwei Dauermagnete anzubringen, die je in einem Schenkel des ferromagnetischen Kernes untergebracht sind.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Mit einer oder mehreren Wicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes versehener, annähernd geschlossener ferromagnetischer Kern aus hochpermeablem Material, in welchem eine Vormagnetisierung mittels eines in einem Spalt vorgesehenen Dauermagneten erzeugt ist, der aus einem Material mit einer Koerzitivkraft von wenigstens 750 Örsted besteht und im wesentlichen in Riehtung seiner kleinsten Abmessung magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet einen Spalt ausfüllt, der durch Kernflächen begrenzt ist, die wesentlich größer sind als die Querschnittsfläche des ferromagnetischen Kernes im Bereich der Wicklung, und der im wesentlichen in Fluß richtung des magnetischen Wechselfeldes liegt.
2. 2. Ferromagnetischer Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der den Dauermagnet aufnehmende Spalt wenigstens teilweise parallel zur Längsachse des betreffenden Kernschenkels erstreckt (Fig. 3).
3. 3. Ferromagnetischer Kern nach Anspruch 2, der aus einzelnen lamellenartigen Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Dauermagneten zwischen den lamellenartigen Teilen angeordnet sind (Fig. 7).
4. 4. Ferromagnetischer Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der den Dauermagnet aufnehmende Spalt unter einem geringen Winkel zur Längsachse des betreffenden Kernschenkels erstreckt (Fig. 4).
5. 5. Ferromagnetischer Kern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Schenkeln des Kernes Teile des Dauermagneten jeweils im gleichen Winkel zur Längsachse des betreffenden Schenkels angeordnet sind (Fig. 5).
6. 6. Ferromagnetischer Kern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Dauermagneten ein magnetischer Nebenschluß vorhanden ist (Fig. 8).
7. 7. Ferromagnetischer Kern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet aus einem Material besteht, das aus im wesentlichen nichtkubischen Kristallen von Polyoxyden von Eisen und wenigstens einem Oxyd der Metalle Barium, Strontium, Blei und gegebenenfalls Calcium zusammengesetzt ist.
8. 8. Ferromagnetischer Kern nach einem der Ansprüche ι bis 7, bei dem die dauermagnetische Vormagnetisierung zum Ausgleich der Gleichstromvormagnetisierung dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Dauermagneten (in cm) multipliziert mit seiner Koerzitivfeldstärke (in A/cm) etwa der Anzahl der auszugleichenden Amperewindungen entspricht.

   ίο 9. Ferromagnetischer Kern nach einem der

   Ansprüche 1 bis 7, der vom Dauermagneten gesättigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ferromagnetischen Kernes eine derart niedrige Sättigungsfeldstärke aufweist, daß die Feldstärke im Dauermagneten beim Überführen des ferromagnetischen. Kernes in die entgegengesetzte Sättigung kleiner als die Schwundfeldstärke des Dauermagneten, bleibt.

   10. Ferromagnetischer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für ein Betatron mit einer ringförmigen Elektronenbeschleunigungsröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Nähe der Achse dieser Röhre angeordneten zentralen ferromagnetischen Kernteile (18, 19) durch den Dauermagneten (4) von den Kernteilen (26, 2y) getrennt sind (Fig.
9. 9).

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Schweizerische Patentschrift Nr. 261 748;

   französische Patentschrift Nr. 802528;

   »Journal of the Institution of Electrical Engineers of Japan«, Band 53 (1933), S. 410;

   Buch von Fischer, »Abriß der Dauermagnetkunde«, 1949, S. 190, 215, 216;

   Buch von Roters, »Electromagnetic Devices«, New York 1941, S. 114 und 115;

   Prospekt der Fa. The Indiana Steel Products Comp. Valparaiso, »Indiana Permanent Magnet Manual« Nr. 4 von 1948, S. 18;

   Prospekt der Fa. Deutsche Edelstahlwerke, Magnetfabrik Dortmund, »DEW-Oerstit-Dauermagnete, Werkstoffeigenschaften«, April 1953.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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