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Impulstransformator mit einem durch einen Dauermagneten vormagnetisierten
Kern aus hochpermeablem ferromagnetischem Material Die Erfindung betrifft einen
Impulstransformator mit einem Kern aus hochpermeablem ferromagnetischem Material,
in dem durch einen ohne jede elektrische Abschirmung eingefügten Dauermagneten eine
konstante Vormagnetisierung erzeugt wird. Ein derartiger Transformator wird z. B.
zum Übertragen von Radarimpulsen verwendet. Solche impulsförmige Schwingungen weisen
eine starke Unsymmetrie auf, d. h., daß ihr Wert in der positiven Phase der Schwingung
erheblich abweicht von jenem in der negativen Phase. Infolgedessen wird ohne ein
Vormagnetisierungsfeld eine solche Schwingung das ferromagnetische Material des
Transformators in der einen Phase bis zu einer bedeutend höheren Induktion aussteuern
als in der anderen Phase. Eine gleich große Aussteuerung für die beiden Phasen ergibt
sich dann bekanntlich dadurch, daß im magnetischen Kern ein Vormagnetisierungsfeld
wirksam gemacht wird, das das ferromagnetische Material z. B. fast in Sättigung
versetzt. Beim Auftreten einer impulsförmigen Schwingung wird dann die Magnetisierungskurve
dieses Materials von dem Sättigungswert in der einen Richtung bis zu j enem in der
anderen Richtung durchlaufen.
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Es ist bereits ein Impulstransformator bekannt, der zur Vormagnetisierung
einen langgestreckten Stahlmagneten besitzt, der jedoch für den Magnetwechselfluß
einen großen Widerstand darstellt. Um diesen
Widerstand zu verringern,
ist zwischen den Magneten und den Kern eine Platte aus elektrisch gutleitendem Material,
z. B. aus Kupfer, eingefügt. Hierdurch werden die Verluste zwar etwas verringert,
jedoch nicht in ausreichendem Maße; andererseits bedingt die Einbringung einer Kupferplatte
einen erheblichen baulichen Aufwand, der den Transformator stark verteuert.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile bei einem Impulstransformator
eingangs erwähnter Art dadurch, daß der hochpermeable Kern bis auf einen dünnen
Spalt geschlossen ist, in den der in Richtung seiner kleinsten Abmessung magnetisierte,
flache Dauermagnet derart eingefügt ist, daß er vom Magnetwechselfeld durchflossen
wird, und daß der Dauermagnet aus nahezu nichtleitendem dauermagnetischem Material
mit einer Koerzitivfeldstärke von wenigstens 75o Oersted und einem Verhältnis zwischen
der remanenten Induktion und der Koerzitivfeldstärke von höchstens 4 besteht und
daß das Material des ferromagnetischen Kernes eine derart niedrige Sättigungsfeldstärke
und einen solchen Querschnitt aufweist, daß die Feldstärke im Dauermagneten beim
Überführen des ferromagnetischen Kernes in die entgegengesetzte Sättigung kleiner
als die Schwundfeldstärke des Dauermagneten bleibt. Hierdurch wird ein Impulstransformator
erhalten, der allen Anforderungen der Praxis genügt.
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Es sei noch erwähnt, daß es ebenfalls bekannt ist, bei einem als Relais
oder Schütz verwendbaren Widerstandsgebilde einen Dauermagneten in einem Spalt eines
ansonsten geschlossenen Ferromagnetkernes vorzusehen. Über das Material des Dauermagneten
ist bei diesem bekannten Gebilde nichts ausgesagt. Das der Erfindung zugrunde liegende
Problem, für einen geschlossenen magnetischen Kern eines Impulstransformators eine
Vormagnetisierung in Form eines Dauermagneten so vorzusehen, daß der Dauermagnet
während der Stromimpulse durch Sättigung des Magnetkernes nicht entmagnetisiert
,wird, liegt bei dem bekannten Widerstandsgebilde ebenfalls nicht vor.
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Es ist ferner bekannt, einen mit zwei Wicklungen versehenen, offenen
ferromagnetischen Trafostabkern mittels eines U-förmigen Stahlmagneten vorzumagnetisieren.
Der Stabkern ist hierbei ohne jede elektrische Abschirmung zwischen den Schenkeln
des Stahlmagneten 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.
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Auch ein Dauermagnet aus nahezu nichtleitendem Werkstoff mit einer
Koerzitivfeldstärke von wenigstens 75o Oersted und einem Verhältnis der remanenten
Induktion B,- zu der Koerzitivfeldstärke H, von höchstens 4 ist bekannt.
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Die Erfindung wird an Hand des in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiels
und der Magnetisierungskurve nach Fig. 2 für ein dauermagnetisches und nach Fig.3
für ein ferromagnetisches Material näher erläutert.
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In Fig. = bezeichnet i einen ferromagnetischen Kern eines Impulstransformators,
auf dem eine Primärspule 2 und eine Sekundärspule 3 angebracht sind. Eine der Primärspule
2 zugeführte impulsförmige Schwingung würde, wenn kein Vormagnetisierungsfeld vorhanden
wäre, das ferromagnetische Material in der einen Richtung bis zur Sättigung aussteuern,
aber in der anderen Richtung würde das Material weit von der' Sättigungsfeldstärke
entfernt bleiben. Um das Material in beiden Phasen gleich weit auszusteuern, so
daß größere Impulse durch den Transformator verarbeitet werden können, ist ein Dauermagnet
4 in einen Spalt des Kernes i eingefügt, der das ferromagnetische Material des Kernes
i fast in Sättigung versetzt. Die impulsförmigen Schwingungen i (Fig. 3) bewirken
dann, daß das ferromagnetische Material des Kernes i eine Magnetisierungskurve von
einem Sättigungswert bis zum anderen durchläuft.
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Der Erfindung liegt die folgende Betrachtung zugrunde: Normalerweise
weist dauermagnetisches Material eine niedrige Permeabilität auf. Damit jedoch die
impulsförmigen Wechselfelder einen möglichst geringen magnetischen Widerstand finden,
wird die Stärke d des Magneten 4 weitestgehend gering gehalten. Würde der Magnet
4 aus leitendem dauermagnetischem Material bestehen, so würde der magnetische Wechsel
kraftfluß Wirbelströme in diesem Material induzieren, die zu beträchtlichen Verlusten
führen. Es ist bereits bekannt, diese Wirbelstromverluste in der Weise zu vermeiden,
daß der Magnet mit einer elektrisch gutleitenden Schicht überzogen wird, wodurch
kein magnetischer Wechselkraftfluß mehr in den Magneten .4 eindringen kann. Hierdurch
wird jedoch der magnetische Widerstand, den dieser Magnet 4 mit der leitenden Schicht
im ferromagnetischen Kern i bildet, wesentlich größer. Auch ist es bekannt, das
dauermagnetische Material zu pulverisieren und in ein nichtleitendes Bindemittel,
z. B. Kunstharz, einzubetten. Hierdurch werden zwar die Wirbelstromverluste geringer,
aber die dauermagnetischen Eigenschaften des so gebildeten Magneten werden beträchtlich
verschlechtert. Außerdem hat man dabei grundsätzlich nicht den Nachteil behoben,
daß der Dauermagnet bedeutende Hystereseverluste verursacht.
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Erfindungsgemäß wird der Dauermagnet ohne die vorstehend erwähnte
elektrische Abschirmung in den Kern eingefügt, wobei der Impulstransformator derart
ausgebildet ist, daß a) der hochpermeable Kern bis auf einen dünnen Spalt geschlossen
ist, b) in den Spalt ein flacher, in Richtung seiner kleinsten Abmessung magnetisierter
Dauermagnet so eingesetzt ist, daß er vom Wechsel-Magnetfeld durchflossen wird,
c) für den Dauermagnet ein nahezu elektrisch nichtleitender dauermagnetischer Werkstoff
mit einer Koerzitivfeldstärke von wenigstens 75o Oersted und einem Verhältnis der
remanenten Induktion B,. zu der Koerzitivfeldstärke H, von höchstens gewählt wird
und d) der Werkstoff des ferromagnetischen Kernes eine derartig niedrige Sättigungsfeldstärke
und einen solchen Querschnitt aufweist, daß die Feldstärke im Dauermagneten beim
Überführen des ferromagnetischen
Kernes in die entgegengesetzte
Sättigung kleiner als die Schwundfeldstärke des Dauermagneten bleibt.
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Geeignete dauermagnetische Materialien bestehen vorzugsweise aus im
wesentlichen nichtkubischen Kristallen von Polyoxyden des Eisens und wenigstens
eines der Metalle Barium, Strontium, Blei oder gegebenenfalls Calcium.
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Die vorstehend erwähnten Anforderungen führen zu einem Magneten, dessen
Stärke d so klein ist, daß der von ihm gebildete magnetische Widerstand sehr niedrig
bleibt; auch weist der Magnet praktisch keine Wirbelstromverluste auf. Die meisten
aus Metalloxyden hergestellten dauermagnetischen Materialien besitzen in der Praxis
schon einen hinreichend hohen spezifischen Widerstand, z. B. höher als ioo Ohm -
cm, damit die Wirbelstromverluste gegenüber den Verlusten des ferromagnetischen
Materials vernachlässigbar sind. Das vorstehend erwähnte Material insbesondere weist
bei Frequenzen von z. B. einigen MHz einen spezifischen Widerstand auf, der größer
als iob Ohm - cm ist.
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Dies reicht jedoch noch nicht aus, die Verluste niedrig zu halten.
Die üblichen dauermagnetischen Materialien, z. B. auf Aluminium-Kobalt-Nickel-Basis,
mit einem Verhältnis zwischen der remanenten Induktion B,. und der KoerzitivfeldstärkeBHC
von annähernd 12 weisen nicht nur eine große Leitfähigkeit, sondern auch große Hystereseverluste
auf. Gemäß der Erkenntnis, die der Erfindung zugrunde liegt, sind diese Verluste
wesentlich geringer, wenn ein dauermagnetisches Material mit einem Verhältnis B,.
: B He kleiner als q. gewählt wird. Die Neigung der Hystereseschleife, die
rings um eine bestimmte Einstellung H", B", beschrieben wird, ist bei dem zuerst
erwähnten Material nämlich wesentlich kleiner als das Verhältnis B,. : BHC,
aber in dem Maße, wie dieses Verhältnis niedriger wird, nähert sich die Hystereseschleife
immer mehr der dargestellten Magnetisierkurve, so daß das Volumen der Schleife und
damit die Verluste geringer werden.
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Eine weitere Anforderung, die zweckmäßig an das dauermagnetische Material
zu stellen ist, ist die, daß es eine nichtkubische Kristallstruktur aufweist und
daß die Schwundfeldstärke IHC (d. h. die Feldstärke, bei der die Magnetisierung
I gleich Null wird und das Material somit gleichsam nicht vorhanden ist) mindestens
das i,2fache der KoerzitivfeldstärkeBHC sein muß. Die üblichen dauermagnetischen
Materialien, z. B. auf Aluminium-Kobalt-Nickel-Basis, weisen einen nur sehr wenig
von x abweichenden Wert für dieses Verhältnis, z. B. i,oi auf. Dieser Wert wird
zwar größer für aus Metalloxyden hergestellte dauermagnetische Materialien, bleibt
aber trotzdem häufig noch zu niedrig. Unter den vorstehend erwähnten dauermagnetischen
Materialien dieser Art, z. B. mit hexagonaler Kristallstruktur, gibt es eine große
Anzahl, bei denen dieses Verhältnis weit überschritten wird, z. B. gleich 3 ist.
Im allgemeinen zeigt sich, daß IHC zunimmt, wenn eine polykristallinische Probe
dieses Materials feingemahlen wird.
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Der Grund für die im vorliegenden Fall gestellte Anforderung ist folgender:
Während beim Fehlen eines Impulses das dauermagnetische Material in einem Punkt
H", B" seiner in Fig. 2 dargestellten Magnetisierungskurve nahe der remanenten Induktion
B,. betrieben wird, wird infolge des Auftretens eines Impulses diese Kennlinie in
Richtung der Koerzitivfeldstärke durchlaufen; dieser Wert wird überschritten, worauf
ein Punkt Hm, B. erreicht wird, dessen Induktionswert B"2 annähernd gleich dem Wert
B" und entgegengesetzt zu diesem Wert ist. Dies ergibt sich nämlich dadurch, daß
das ferromagnetische Material des Kernes i annähernd in seinem Sättigungspunkt HS,
B, (Fig. 3) betrieben wird und durch die impulsförmige Schwingung i in die entgegengesetzte
Sättigung B,' versetzt wird. Da der magnetische Kraftfluß in dem Gesamtkreis kontinuierlich
ist und B,' gleich B,, und entgegengesetzt zu diesem Wert ist, muß somit auch B.
gleich B" und entgegengesetzt zu diesem Wert sein, wobei die Sättigung des ferromagnetischen
Materials somit bewirkt, daß kein größerer Wert von B., also auch von
Hm
auftreten kann.
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Das dauermagnetische Material muß nun eine Schwundfeldstärke
I HCannähernd gleich demWert Hm
oder höher als diesen Wert aufweisen,
damit das Material nicht infolge der impulsförmigen Schwingung in einem irreversiblen
Teil seiner Kurve betrieben wird und infolgedessen seine magnetischen Eigenschaften
stark verschlechtert werden. Für die nichtkubischen Materialien, bei denen die Magnetisierungen
der verschiedenen Kristalle eine definierte starke Vorzugsrichtung aufweisen, zeigt
sich nämlich, daß die Feldstärke, bei der die Magnetisierungskurve irreversibel
wird, in der Nähe dieser Schwundfeldstärke und gegebenenfalls niedriger liegt.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß, je näher der Wert H. beim WertBHC
liegt, um so niedriger auch der Wert Hm wird, und folglich der Wert
Hm von dem Wert IHC um so größeren Abstand hat. Zur Erzielung dieser Bedingung
stehen verschiedene Mittel zur Verfügung: i. Es kann ein ferromagnetisches Material
mit niedriger Sättigungsinduktion B, angewendet werden; hierdurch bleiben auch B"
und B,n klein.
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2. Man kann dem Transformatorkern einen solchen Querschnitt geben,
daß der Dauermagnet ein wesentliches Streufeld aufweist, z. B. in der Weise, daß
ein magnetischer Nebenschluß parallel zum Magneten q. angebracht wird, so daß die
Feldstärke im Dauermagneten beim Überführen des ferromagnetischen Kernes in die
entgegengesetzte Sättigung kleiner als die Schwundfeldstärke des Dauermagneten bleibt.