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Elektromagnetisches Gerät.
Gegenstand der Erfindung ist ein aus einem geblätterten Eisenkern und einer oder mehreren Wicklungen zusammengesetztes elektromagnetisches Gerät, das beispielsweise eine Drosselspule, ein Transformator, ein Triebeisen für Induktiongeräte, etwa Ferraris-Instrumente, ein Elektromagnet für Relais, ein Erreger für elektroakustische Schwinger u. dgl. sein kann.
Die Erfindung betrifft Massnahmen zur Verminderung der Eisenverluste, Massnahmen zum Verringern der Wicklungskapazität und Mass-
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nahmen können einzeln oder in beliebiger Gemeinschaft sowohl bei Niederfrequenz-als auch bei Hoch- frequenz. 6eräten angewendet werden und erhöhen die Wertigkeit des Gerätes, tragen insbesondere zur Vergrösserung seines Wirkungsgrades, zur Vergleichmässigung seiner magnetischen und elektrischen Beanspruchung und dadurch zur Erhöhung einer Belastbarkeit bei.
Gemäss der Erfindung wird der Kern aus Teilkernen zusammengesetzt, deren grösste Abmessung in der Schichtrichtung der Lamellen und senkrecht zum Verlauf der magnetischen Kraftlinien im bewickelten Teil gemessen höchstes gleich der kleinsten Abmessung des Spulenfensters ist, und diese Teilkerne oder Gruppen von ihnen werden so gelagert, dass sie sich nach verschiedenen Riehtungen hin erstrecken. Die Schichtungen benachbarter Teilkerne oder Teilkerngruppen können dabei in parallelen Ebenen oder rechtwinklig zueinander stehenden Ebenen liegen. Die Lamellen haben eine einfache, bei Kerntransformatoren gebräuchliche Grundform, und vorzugsweise baut man den Kern des erfindungsgemässen elektromagnetischen Gerätes aus formgleichen Lamellen auf.
Das Ergebnis ist ein äusserlieh den Manteltransformatoren angenähertes oder ähnliches Gebilde, das stets zum mindesten die guten magnetischen Eigenschaften eines Manteltransformators besitzt, diesen jedoch in elektrischer Beziehung
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Teilkernen aus, deren grösste in der Sehichtrichtung genommene Abmessung gleich der kleinsten Abmessung des zusammengesetzten Gesamtkernq ist ; dann hat man in magnetischer Hinsicht die Vorteile eines Kerns nach Art der Kerne von Manteltran, formatoren gewahrt. Macht man jedoch die grösste in der Schichtrichtung genommene Abmessung der Teilkerne kleiner als die kleinste Abmessung des zusammengesetzten Gesamtkernes, dann hat dieser stets noch bessere magnetische Eigenschaften als ein Kern nach Art der Kerne von Manteltransformatoren.
Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt die Anordnung eines Manteltransformators herkömmlider Bauart mit quadratischem Kernquerschnitt bzw. Spulenfenster. Auf zwei Seiten stehen aussen den mit ihren isolierenden Zwischenlagen z auf den Kern k aufgebrachten Spulen s Rüeksehlussschenkel r1 und r2 gegenüber. Dieser magnetisch gute Aufbau hat eine in vielen Fällen unerwünscht hohe Wicklungskapazität im Gefolge, die man nur durch einen erheblichen Mehraufwand an aktivem Eisen verringern kann. nämlich dadurch, dass man die Rückschlussschenkel weiter von den ihnen zugekehrten Spulenflächen bzw. vom Kern abrückt.
Der schematisch in Fig. 2 skizzierte Kerntransformator benötigt nur wenig mehr Eisen als der Manteltransformator nach Fig. 1 ; seine Wicklungskapazität ist erheblieh gemindert, aber er ist unsymmetrisch im Aufbau.
Setzt man nun erfindungsgemäss den Kern eines Transformators nach Fig. 2 aus zwei Teilkernen k1 und k2 zusammen und legt man die Rückschlussschenkel r1 und r2 in entgegengesetzte Richtungen, dann erhält man das manteltransformatorähnliche elektromagnetische Gerät nach Fig. 3, dessen Wicklungskapazität unter Erhaltung der magnetischen Eigenschaften eines Manteltransformators nach Fig. 1 noch ein wenig geringer ist als die des Gerätes nach Fig. 2.
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Um bei einem elektromagnetischen Gerät mit vierteiligem Kern erfindungsgemäss die Symmetrie noch weiter zu erhöhen, kann man nach Fig. 6 die Teilkerne so zusammensetzen, dass die Schichtungen benachbarter Teilkerne rechtwinklig zueinander stehen. Bei dieser Anordnung empfiehlt es sich,
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Pressspanstreifen oder Glimmerblättchen, zu legen. Ein elektromagnetisches Gerät nach Fig. 6 hat einen um 25% im Umfang grösseren Kern als die Geräte nach Fig. 1-5 ; es sind also 36% der insgesamt vom viergeteilten Kern beanspruchten Querschnittsfläche magnetisch nicht ausgenutzt, und die grössere Symmetrie ist mit einer um ein Viertel vergrösserten mittleren Windungslänge der Spulen s und mit einem entsprechenden Mehraufwand an Isoliermaterial für die Zwischenlagen s erkauft.
Dort, wo die Kapazitätverhältnisse eine ausschlaggebende Rolle spielen, wird man dennoch die Anordnung nach Fig. 6 in vielen Fällen verwenden, so z. B. bei Klein-und Kleinsttransformatoren für Radiozwecke, insbesondere für Hochfrequenzwandler. Für diese Transformatoren ist besonders noch zu beachten, dass der von den
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diesen Raum Leitungen legen sowie insbesondere etwa zu Befestigungszwecken dienende Metallteile führen, die sogar aus Eisen sein können, ohne selbst Hochfrequenzgeräte störend zu beeinflussen.
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raumes wird, bezogen auf den Gesamtquerschnitt des Kernes, rasch kleiner, wenn das Verhältnis der in der Schiehtrichtung und senkrecht zum Verlauf der magnetischen Kraftlinien im bewickelten Teil genommenen Abmessung der Teilkeme zur kleinsten Seitenlänge des Gesamtkernes geringer gewählt wird, als bei der Anordnung nach Fig. 6, für die das genannte Verhältnis 0'8 ist. Der magnetisch abge- schirmte freie Innenraum verschwindet ganz, wenn das vorgenannte Verhältnis den Wert 0'5 annimmt, d. b. wenn die in der Schichtrichtung und senkrecht zum Verlauf der magnetischen Kraftlinien im bewickelten Teil genommene Abmessung der Teilkerne gleich der Hälfte der kleinsten Abmessung des
Spulenfensters oder besser noch der kleinsten Seitenlänge des Gesamtkernes gemacht wird.
So aufgebaute, erfindungsgemässe elektromagnetische Geräte sind in Fig. 7 und 8 schematisch veranschaulicht. Das
Gerät nach Fig. 7 hat den gleichen Umkreis wie der Manteltransformator nach Fig. 1, aber es ist sehr viel symmetrischer und hat eine geringere Wieldungskapazität als jener.
Das Gerät nach Fig. 8 hat den Umkreis der Geräte nach Fig. 2-5, aber es ist sehr viel symmetrischer und hat überdies eine beträcht- lich kleinere Wicklungskapazität als jene Geiäte. Seine Wicklungskapazität ist sogar noch merklich geringer als die des mit einer gewissen Verschwendung an Werkstoff aufgebauten Geräts nach Fig. 6, denn die Entfernung der den Spulen s zugewandten Innenflächen der Rückschlussschenkel der Teilkerne von den für die Wicklungskapazität in Betracht kommenden Oberflächenteilen der Spulen s ist hier weit grösser als bei den Geräten nach den vorhergehenden Abbildungen.
Der erfindungsgemäss zusammengesetzte Gesamtkern braucht nicht quadratischen Querschnitt zu erhalten, wenngleich diese Querschnittsform zu Gebilden grösster Symmetrie führt. Durch Verwendung von vier Teilkernen nach Fig. 3 kommt man zu einem elektromagnetischen Gerät, dessen Kern das Seitenverhältnis 1 : 2 hat und im übrigen nach Art der Fig. 4 oder 5 aufgebaut sein kann, wie dies die Fig. 9 und 10 veranschaulichen. Ordnet man die vier Teilkerne nach Art der Fig. 6, so entsteht das erfindungsgemässe elektromagnetische Gerät nach Fig. 11, bei dem der Querschnitt des magnetisch abgeschirmten freien Innenraumes 11% des Gesamtquerschnittes des Kernes ausmacht, so dass also 89% dieses Querschnittes von aktivem Eisen eingenommen werden.
Müssen mehrere gleichartige elektromagnetische Geräte vergleichsweise nahe beieinander angeordnet werden, dann ist oft die Forderung der symmetrischen Anordnung der Gesamtzahl der Geräte und einer vernachlässigbar kleinen gegenseitigen magnetischen Beeinflussung wichtiger als die Forderung grösstmöglicher Symmetrie des einzelnen Geräts. Man wird dann also auf Kosten der überhaupt erlangbaren Symmetrie besondere Kerngestaltungen wählen, die den jeweiligen Bedürfnissen Rechnung tragen. So stellt beispielsweise Fig. 12 schematisch den Querschnitt durch ein sogenanntes Eckgerät nach der Erfindung dar.
Fügt man zum Kern des Gerätes nach Fig. 12 einen formgleichen Teilkern 7c3, so entsteht das elektromagnetische Gerät nach Fig. 13 mit einem Seitenverhältnis des Spulenfensters von 1 : 3 ; derartige
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Die Abbildungen veranschaulichen nur einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäss zusammengesetzten Kerne ; durch eine weitergehende oder anders bewirkte Unterteilung und Zuordnung der so entstehenden Teilkerne kann man noch eine grosse Anzahl anderer Kerne aufbauen.
Die Erfindung löst die Aufgabe, ein elektromagnetisches Gerät zu bauen, das einem verlustfrei arbeitenden Apparat nach Möglichkeit nahekommt. Man will sich also den idealen Verhältnissen annähern, soweit dies unter ökonomischen Bedingungen erreichbar ist. Es hat sich nun gezeigt und lässt sich auch nahezu vollkommen theoretisch herleiten, dass die Symmetrie eine bedeutende Rolle bei der Erfüllung der Aufgabe spielt. Das kann man besonders gut erkennen, wenn man als besonderes Gerät nach der Erfindung einen Verstärkertransformator betrachtet.
Für ihn handelt es sich darum, den Bereich der idealen Transfolmation zu erstrecken, u. zw. besonders nach höheren Frequenzen hin, denn hierauf läuft die von der Erfindung gelöste Aufgabe hinaus.
Bei den in Rede stehenden Kleintransformatoren spielen im Gegensatz zu Starkstem-und Messtransformatoren drei Probleme keine irgendwie nennenswerte Rolle :
1. Das Problem der Verlustwärme und ihrer Abführung.
2. Das Stromkraftproblem.
3. Das Spannungskraftproblem.
Wohl aber spielt das Problem der Kleinhaltung des Leerlaufstromes eine Rolle, wenn auch nur sekundärer Art.
Ein nach den Grundsätzen der Erfindung gebauter Verstärkertransformator ist magnetisch und elektrisch sehr viel hochwertiger als irgendein Kraft- oder Messtransformator, und dies ergibt sieh als Folge einer so streng als möglich durchgeführten Symmetrie. Je ausgeprägter diese Symmetrie, desto hochwertiger das Gerät.
Der symmetrische Aufbau des Kernes verringert die Streuung und gibt Mittel an die Hand, die Kapazität der Wicklungen, insbesondere die der sekundären Wicklung, klein zu halten. Als Folge ist die Streuresonanz sehr weit hinausgeschoben. Hier kann man von Verbesserungen in elektromagnetischer Beziehung sprechen.
Die symmetrische Gruppierung der Teile jeder Wicklung, vor allem der sekundären Wicklung, verringert den Wirkwert der Wicklungskapazität noch weiter. Hier spricht man folgerichtig, wie in der Beschreibung auch geschehen, von einer Verbesserung in elektrischer Beziehung, wenngleich diese Verbesserung nur in Verknüpfung mit den vorher genannten Verbesserungen in die Erscheinung tritt.
Was für die Wechselwirkung zwischen Kern und Wicklungen allgemein gilt, hat auch Geltung für die Wicklungen unter sieh und in sich, d. h. für die Teilspulen jeder Wicklung. Für gewöhnlich sind diese Teilspulen nicht symmetrisch angeordnet, sondern sie liegen einfach so nebeneinander, dass das mittlere elektrische Potential von Spule zu Spule ständig zunimmt. Spulenanordnungen nach den Fig. 15 und 16 zeigen deutlich eine Symmetrie. Auch die Vektoren der mittleren elektrischen Potentiale der eigenartig gelegenen Spulen sind symmetrisch gruppiert, und aus dem Diagramm des zugehörigen elektrischen Feldes kann man den vorteilhaften Einfluss der symmetrischen Gruppierung in bezug auf die resultierende Wicklungskapazität ablesen.
Dazu kommt noch etwas : das mittlere elektrische Potential der Teilspulen oder aber wenigstens einer Teilspule gegen die Quer Joche ist geringer als bei der gewöhnlichen Staffelung der Teilspulen einer Wicklung. Infolgedessen wird abermals der Wirkwert der Kapazität der gesamten Wicklung gegen den Kern verkleinert. Auch diese Verkleinerung ist nur erreichbar, wenn man die symmetrische Anordnung der Wicklungsteile trifft, wie dies die Anmeldung zum Ausdruck bringt.
Besonders deutlich tritt der durch die Erfindung erreichbare Vorteil hervor, wenn man statt der Kapazitäten die eigentlich allein interessierenden Ladeströme zum Gegenstand der Betrachtung macht. Man sieht dann, dass hier eigenartige Kompensationen von Teilladeströmen auftreten, und auch das ist ausschliesslich eine Folge der durchwegs symmetrischen Gruppierung aller Wirkungsteile des Transformators.
In elektrischer Beziehung wird die Symmetrie des erfindungsgemässen Gerätes dadurch erhöht, dass die Wicklung aus Teilen oder Teilgruppen derart zusammengesetzt ist, dass die Teile oder Teilgruppen mit höheren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale von Teilen oder Teilgruppen mit niedrigeren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale eingeschlossen sind.
Eine solche Wicklung wird man als Seheibenwicklung mit einer im Regelfall geraden Anzahl von Teilspulen ausführen ; dann liegen bei der erfindungsgemässen Anordnung die Teilspulen nicht so, dass ihre Ordnungszahlen im Sinne der gewöhnlichen Zahlenreihe geordnet sind. Die Teilspulen liegen beispielsweise so, wie es Fig. 15 schematisch für eine aus sechs Teilspulen bestehende Wicklung zeigt. Die Teilspulen mit ungerader Ordnungszahl liegen auf der einen Seite der Wicklungsmitte, und die Spulen gerader Ordnungszahl auf der anderen ; die Ordnungszahlen steigen nach der Wicklungsmitte zu an.
Es liegen auch noch andere Zuordnungen der Teilspulen im Rahmen der Erfindung. Bei einem elektromagnetischen Gerät mit einer Vielzahl von Wicklungen kann nur eine der Wicklungen in der beschriebenen Art aufgebaut sein, oder man kann zwei oder beliebig viele der voneinander unabhängigen Wicklungen erfindungsgemäss aufteilen und diese Wicklungen dann zueinander derart zusammensetzen,
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dass die Teile oder Teilgruppen mit höheren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale von Teilen oder Teilgruppen mit niedrigeren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale eingeschlossen sind.
Fig. 16 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes elektromagnetisches Gerät mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungen, die jeweils aus vier Teilspulen so zusammengesetzt sind, dass die mit arabischen Ziffern gekennzeichneten Teilspulen mit höheren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen den Kern 7c von den mit römischen Ziffern gekennzeichneten Spulen mit niedrigeren Werten des mittleren elektrischen Potentials gegen den Kern k eingeschlossen sind. Aussei zwei solchen Scheibenwicklungen könnte im übrigen noch eine dritte Wicklung angeordnet werden, die man dann entweder nach Art der erwähnten Scheibenwicklungen aufbaut und anbringt, oder die man als gewöhnliche Zylinderwicklung ausführt.
Weiterhin kann man die vielfach im Grosstransformatorenbau geübte Massnahme der Teilung der Endspulen einer Seheibenwicklung auch beim erfindungsgemässen Gerät anwenden, und im übrigen braucht die Auf teilung keine Teilspulen gleicher Windungszahl zu ergeben.
Man kann also immer die Anzapfpunkte an den Spulenumfang verlegen und wird anderseits im Regelfall besonders bei Geräten für Radiozwecke, etwa bei Gegentakttransformatoren, den elektrischen Mittelpunkt in Kernnähe verlegen, und so ein mittensymmetrisches Gerät erhalten, das die paarweise Ver- tauschung in elektrischer Hinsicht symmetrisch gelegener Klemmen ohne Änderung der Charakteristik des Gerätes ermöglicht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Aus Kern und Wicklung zusammengesetztes elektromagnetisches Gerät, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kern aus Teilkernen, deren grösste Abmessung in der Schichtrichtung und senkrecht zum Kraftlinienverlauf im bewickelten Teil gemessen höchstens gleich der kleinsten Abmessung des Spulenfensters ist, derart zusammengesetzt ist, dass die Schichtungen benachbarter Teilkerne oder Teilkerngruppen rechtwinklig zueinander stehen und eine Vielzahl unabhängiger Wicklungen angewendet ist, deren jede in sich und die miteinander derart zusammengesetzt sind, dass die Teile oder Teilgruppen höheren mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale von Teilen oder Teilgruppen minderen mittleren elektrischen Potentials gegen die Neutrale eingeschlossen sind.
2. Aus Kern und Wicklung zusammengesetztes elektromagnetisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Teilkernen, deren grösste Abmessung in der Sehichtrichtung und senkrecht zum Kraftlinienverlauf im bewickelten Teil gemessen höchstens gleiohkommt der kleinsten Abmessung des Spulenfensters, derart zusammengesetzt ist, dass die Schichtungen benachbarter Teilkerne oder Teilkern- gruppen rechtwinklig zueinander stehen.