EP0018484A1

EP0018484A1 - Elektromagnetischer Kreis mit mehrfach verwundenem Magnetjoch

Info

Publication number: EP0018484A1
Application number: EP80101237A
Authority: EP
Inventors: Armin Bohg; Walter Dr. Hehl
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1980-03-11
Publication date: 1980-11-12
Also published as: JPS55148406A; DE2918045A1

Abstract

Elektromagnetischer Kreis, bei dem ein Magnetjoch (1) mehrfach durch die Erregerspule (3) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Kreis, bei dem ein Magnetjoch durch eine Erregerspule verläuft.
Anordnungen dieser Art sind aus allen Gebieten der Elektrotechnik und der elektrischen Nachrichtentechnik derart bekannt, daß auf sie nicht näher eingegangen wird. Sie lassen sich unter drei Gesichtspunkten betrachten:

1. Das durch die Spule geführte Magnetjoch kann in sich geschlossen sein, wie es bei vielen Transformatoren der Fall ist;
2. das durch die Spule verlaufende Magnetjoch kann einen . Arbeitsluftspalt aufweisen, wie es bei Druckhammerantrieben, z. B. bei dem IBM Drucker 1403, üblich ist, oder
3. das durch die Erregerspule geführte Joch nimmt lediglich die Funktion eines sogenannten Spulenkernes zur Erhöhung der Spuleninduktivität ein.

Kennzeichnend für eine elektromagnetische Spulenanordnung ist die magnetische Durchflutung.
(Es bedeuten θ = magnetische Durchflutung; I = Erregerstromstärke; n = Windungszahl der Erregerspule; Φ = magnetischer Fluß; G = magnetischer Leitwert.)
Um eine höhere magnetische Induktion zu erreichen, war es bisher üblich, entweder die Erregerstromstärke I bzw. die Windungszahl n der Erregerspule zu erhöhen. Eine Erhöhung des Erregerstromes I zieht jedoch aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der ohmschen Wärmeverluste V (V ~ r²) eine enorme Steigerung der Verlustleistung nach sich; bei einer Erhöhung der Windungszahl n der Erregerspule läßt sich jedoch unter Inkaufnahme eines erhöhten ohmschen Widerstandes R der Spule (Verlustleistung V m- R) der Fluß bei gegebenem Erregerstrom I nicht beliebig erhöhen, da mit wachsendem Spulenwiderstand die anzulegende Spannung U wächst, um einen vorgegebenen Strom I durch die Spule zu treiben. Aus technologischen Gründen läßt sich die Spannung U jedoch nicht beliebig erhöhen. Im letzteren Falle ist zu berücksichtigen, daß bei erhöhter Induktivität der Aufbau eines magnetischen Feldes eine größere Zeit erfordert und eine höhere Windungszahl n auch höhere parasitäre Windungskapazität bedingt.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die zur Erreichung eines bestimmten Magnetflusses mit geringeren Erregerströmen auskommt.
Dadurch verringert sich der Aufwand zur Erzeugung ehemals erforderlicher hoher Erregerströme im Zusammenhang mit den damit teilweise verbundenen Kühlproblemen und im Zusammenhang mit den damit teilweise verbundenen geringen elektromechanischen Wirkungsgraden.
Diese Aufgabe der Erfindung, mit möglichst geringer elektrischer Leistung einen bestimmten magnetischen Fluß Φ zu erreichen, wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Kreises, bei dem ein Magnetjoch mehrfach gewunden durch eine Spule geführt ist, wobei die Enden des Magnetjoches einen Arbeitsluftspalt bilden.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Elektromagnetkreises mit einem einfach durch eine Spule geführten Magnetjoch mit einem Arbeitsluftspalt.
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer ringförmigen Drossel mit einem mehrfach verwundenem, in sich geschlossenem Ferritkern.
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Schreibkopfes für die magnetische Informationsaufzeichnung auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger unter Berücksichtigung des Prinzips der Flußmultiplikation.

Zur Erklärung der grundlegenden elektrotechnischen Zusammenhänge sei zunächst auf Fig. 2.verwiesen. Diese Darstellung zeigt ein magnetisches Joch 6, welches durch eine Spule 8 mit den Windungen n und den Anschlußpunkten 10 für die Erregerspannung U geführt ist. Das Magnetjoch 6 bildet mit seinen Enden den Arbeitsluftspalt 7. Nach dem Anlegen der Erregerspannung U fließt in der Spule 8 der Erregerstom I. Der magnetische Fluß Φ bestimmt die in dem Arbeitsluftspalt 7 auf eine Polfäche wirkende Kraft F nach der Beziehung

F = Kraft
Φ = magnetischer Fluß
^po = magnetische Permeabilität des Arbeitsluftspaltes
A = Polfläche des Arbeitsluftspaltes

Die magnetische Durchflutung 0 ergibt sich zu

0 = magnetische Durchflutung
I = Erregerstromstärke
n = Windungszahl der Erregerspule 8.

In Fig. 1 ist das Magnetjoch 1 mehrfach durch die Spule 3 hindurchgewunden. Die einzelnen Magnetjochwindungen sind mit 1-1, 1-2 und 1-3 gekennzeichnet. An seinen Enden bildet das Magnetjoch 1 den Arbeitsluftspalt 2. Die Spule 3 besteht aus den Windungen 4. An ihren Anschlußklemmen 5 wird die Erregerspannung U angelegt, die den Erregerstrom I hervorruft.
Da das Magnetjoch m-fach (im schematischen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist m = 3) durch die Erregerspule geführt wird, ergibt sich auch eine m-fache Gesamtdurchflutung des Magnetkreises
(0 = magnetische Durchflutung des Magnetkreises; m = Anzahl der Magnetjochwindungen; n = Windungszahl der Erregerspule).
Im Vergleich zu der Anordnung nach Fig. 2 mit nur einer Magnetjochwindung durch die Spule ist bei der Anordnung nach Fig. 1 zur Erreichung der gleichen magnetischen Durchflutung 0 nur noch der m-te Teil des Erregerstromes aufzuwenden, um die gleiche magnetische Flußdichte (Induktion) B zu erzeugen
(B = magnetische Flußdichte, 0 = magnetische Durchflutung, G_{m =} magnetischer Leitwert, A = Polfläche). Durch den geringeren Strom, ein m-tel des bisherigen Wertes, sinken die ohmschen Verluste im idealisierten Fall sogar auf 1/m . Die einzelnen Jochwindungen 1-1, 1-2 und 1-3 haben bei dieser vergleichenden Betrachtung jeweils den gleichen Querschnitt wie die Magnetwindung 6 nach Fig. 2. Damit muß jedoch die Spule gemäß Fig. 1 einen größeren Innendurchmesser als in Fig. 2 aufweisen, um die einzelnen Magnetwindungen 1-1 bis 1-3 aufzunehmen. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung des ohmschen Spulenwiderstandes annäherungsweise um den Faktor √m, wodurch die ohmschen Verluste der Spule 3 gemäß Fig. 1 nicht wie im idealisierten Falle auf 1/m² sinken, sondern in etwa auf 1/m ^3/2 Die Erhöhung der magnetischen Durchflutung durch eine Mehrfachverwindung des Magnetjoches durch . die Spule soll im folgenden Flußvervielfachung genannt werden. Diese Flußvervielfachung könnte man sich durch eine m-fache Erhöhung der Windungszahl der Spule entstanden denken, wobei jedoch die eingangs beschriebenen Nachteile einer Windungszahlerhöhung (lineares Ansteigen des ohmschen Spulenwiderstandes, Zunahme der Induktivität proportional n²) nur noch in einem weitaus verringerten Maße auftreten.
Die Prinzipdarstellung in Fig. 1 mit dem Arbeitsluftspalt 2 diente lediglich der Erklärung des Prinzips der Flußvervielfachung. Diese Flußvervielfachung ist selbstverständlich nicht an das Vorhandensein eines Arbeitsluftspaltes 2 gebunden. Es sind somit auch Anwendungen denkbar, bei denen die Flußvervielfachung in einem geschlossenen vielfach verwundenem magnetischen Kreis ausgenutzt wird.
Durch die Vielfachverwindung des Magnetkreises gemäß Fig. 1 entstehen naturgemäß zusätzliche magnetische Streufelder. Durch konstruktive Maßnahmen kann erreicht werden, daß die zusätzlichen Streuleitwerte wesentlich geringer sind als der magnetische Leitwert des gesamten Flußkreises.
Eine Möglichkeit, die magnetische Streuung quer über die Windungen des Flußweges gering zu halten, besteht darin, die gegenseitigen Mindestabstände einen gewissen Minimalwert nicht unterschreiten zu lassen. Auch läßt sich durch räumliche Auffächerung der Flußschleifen wie im Beispiel der Fig. 3 die magnetische Streuung zwischen den Flußschleifen wesentlich verringern.
Bedingt durch die zusätzlichen Streuverluste ergab sich für einen der Fig. 1 entsprechenden Modellaufbau bei einer Dreifachverwindung des Magnetjoches 1 eine Flußvervielfachung um den Faktor 2.7.
In Fig. 3 ist eine Hochfrequenzdrossel mit verringerter Streukapazität gezeigt. Die ringförmig angelegten Windungen 12 sind von einem in sich geschlossenen, mehrfach verwundenen weichmagnetischen Kern 11 umschlossen. Da die Streukapazitäten mit der Zahl der Drahtwindungen 12 wachsen, kann bei gleicher Induktivität bei z. B. vierfacher Flußmultiplikation, d.h. vierfacher Verwindung des in sich geschlossenen Flußweges, die Zahl der Kupferwindungen auf ca. 1/4 reduziert werden. Damit werden jedoch auch die unerwünschten, mit der Windungszahl der Spule steigenden Streukapazitäten verringert. Zur Linearisierung läßt sich in der Anordnung nach Fig. 3 ein kleiner Luftspalt so anbringen, daß der weichmagnetische Kern aus zwei Hälften-besteht, in die die fertige Spule eingelegt werden kann. Die Einzelstücke des Flußkreises werden dabei durch eine geeignete nichtmagnetische Vergußmasse fixiert.
! In Abbildung 4 ist die schematische Darstellung eines Magnet-Schreibkopfes unter Anwendung des Prinzips der Flußvervielfachung gezeigt. Der Schreibkopf 13 besteht aus einem achtförmig verwundenem Magnetjoch 14 mit dem Arbeitsluft- - spalt 15 und der Spule 17. Die Teile können in einem isolierenden Material 16 (z. B. Glas oder Keramik) eingebettet sein. Die dem Schreibvorgang zugewandte Seite des Schreibkopfes 13 ist vom Arbeitsluftspalt 15 her gesehen abgeschrägt. Das achtförmig verlaufende Magnetjoch ist in seinem Kreuzungsteil durch entsprechende Aussparungen so-ausgebildet, daß sich die Magnetjochteile nicht berühren können, um magnetische Nebenschlüsse auszuschließen. An diesem Kreuzungsteil verlaufen die Magnetjochteile innerhalb der Spule 17. Für eine einfache Herstellung dieser Schreibkopfanordnung ist es möglich, das verwundene Magnetjoch zu vier Teilen 14-1, 14-2, 14-3 und 14-4 herzustellen. Diese Teile sind in die vorgefertigte Spule 18 zu stecken und an ihren Trennstellen 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 zusammenzufügen bzw. mit einem entsprechenden Klebstoff zu verbinden. Danach können alle Teile in ein entsprechendes isolierendes Material 16 eingebettet werden.

Claims

1. Elektromagnetischer Kreis, bei dem ein Magnetjoch durch eine Erregerspule verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetjoch (1) mehrfach (1-1, 1-2, 1-3) durch die Erregerspule (3) geführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetjoch in sich geschlossen ist oder einen Arbeitsluftspalt (2) aufweist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetjoch (14) achtförmig verwunden ist und in seinem Kreuzungsbereich von einer Spule (17) umfaßt wird.