DE1051963B - Steuerbare Drosselspule fuer Schwachstromzwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Drosselspule für Schwachstromzwecke, bestehend aus einem mit einem Magnetjoch in Reihe liegenden ferrolnagnetischen Kern, der mit wenigstens zwei Wicklungen versehen ist und zwei parallele Hauptzweige aufweist, die je in zwei parallele Teilzweige unterteilt sind, wobei ein im Magnetjoch erzeugtes, veränderbares Magnetfeld eine Änderung der Spuleninduktivität bewirkt.

Solche Drosselspulen sind z. B. anwendbar in magnetischen Modulatoren, regelbaren Schwingungskreisen, Triggerschaltungen usw. Der Kern ist in diesen Fällen mit einem geschlossenen Joch versehen, und das veränderbare Magnetfeld wird durch einen Strom erzeugt, der durch eine mit dem Joch gekoppelte Spule fließt. Die Spule des Magnetkernes ist mit einer Wechselstromquelle verbunden, und das von diesem Wechselstrom erzeugte Magnetfeld bewirkt im Kern magnetische Flüsse, die von dem erwähnten Magnetfeld des Joches beeinflußt werden.

Solche Drosselspulen finden gleichfalls Anwendung bei Magnettongeräten und Magnetometern. Der Kern liegt in diesen Fällen in einem mit einem Luftspalt versehenen Joch, und die Beeinflussung der im Kern auftretenden Flüsse, die durch einen in der Kernspule fließenden Strom entstehen, erfolgt mittels eines über dem Luftspalt auftretenden Magnetfeldes.

Die Abmessungen des Kernes müssen bekanntlich möglichst klein sein, insbesondere bei hohen Frequenzen des in der Kernspule fließenden Wechselstromes. Dies ist hauptsächlich auf den Umstand zurückzuführen, daß, bevor das Kernmaterial modulierend wirken kann, dieses Material bis in die Sättigung ausgesteuert werden muß, so· daß die Hystereseschleife des Materials praktisch völlig durchlaufen werden muß. Nun sind die sich daraus ergebenden Verluste, die als Wärmeentwicklung im Kernmaterial zum Auedruck kommen, proportional dem Produkt der Frequenz, mit der die Hystereseschleife durchlaufen wird, der Fläche dieser Hystereseschleife und des Kernvolumens. Bei einer bestimmten Frequenz nehmen diese Verluste daher in proportionalem Verhältnis zum Kernvolumen zu, also· proportional zur dritten Potenz einer Längenabmessung. Die Kernoberfläche, welche die entwickelte Wärme ableiten kann, nimmt aber nur mit dem Quadrat der Längenabmessung zu, so daß bei größeren Kernabmessungen diese Wärmeentwicklung schnell unzulässig groß wird. Außerdem erhöht sich naturgemäß auch die Nutzleistung der Wechselstromquelle in wesentlichem Maße. Die bei hohen Frequenzen (von z. B. 0,5 bis 10 MHz) im Zusammenhang mit dem Vorhergehenden gewünschten kleinen Kernabmessungen er-Steuerbare Drosselspule
für Schwachstromzwecke

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 7. April 1955

Simon Duinker, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

schweren die Herstellung des Kernes und der Wicklung aber sehr.

Wenn die Fläche der unter der Einwirkung des Wechselstromes durchlaufenden Hystereseschleife wesentlich verkleinert werden könnte, so ergibt sich aus dem Vorstehenden, daß es einerseits möglich ist, bei konstanter Frequenz die Kernabmessungen zu vergrößern, andererseits bei konstanten Abmessungen die Frequenz zu erhöhen. Beide Möglichkeiten haben deutliche Vorteile.

Nach der Erfindung werden die Hystereseverluste des Kernes wesentlich dadurch unterdrückt, daß die Wicklungen einander gegenphasig auf die Hauptzweige des Kernes gewickelt sind und daß Mittel vorgesehen sind, die in den beiden Teilzweigen jedes Hauptzweiges Gleichstrommagnetflüsse gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung erzeugen, die jeden Teilzweig fast in magnetische Sättigung versetzen.

Es sind bereits Drosselspulen eingangs erwähnter Art bekannt, bei denen die Induktivität der auf den Teilzweigen des Magnetkernes sitzenden Wicklungen von einem im Joch erzeugten magnetischen Gleichfeld beeinflußt wird. Bei der Drosselspule nach der

4-5 Erfindung sitzt die durch ein veränderbares Magnetfeld zu regelnde Spule dagegen auf den Hauptzweigen des Kernes. Die auf den Teilzweigen befindlichen Wicklungen dienen -zur Änderung der wirksamen Hystereseschleife der Hauptzweige und damit zur

So Verringerung der Hystereseverluste.

Es ist zwar bekannt, die Hystereseverluste eines Magnetkernes durch Gleichstromvormagnetisierung zu verringern. Im vorliegenden Fall erfolgt dies jedoch auf besondere Weise nach Art einer doppelten

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Gegentaktschaltung, so daß im Joch weder eine oder S hinaus, aussteuern kann. Dies bedeutet aber, Gleichstromvormagnetisierung noch eine von einem in daß — ausgenommen wenn das steuernde, im Joch 4 den Wicklungen der Drosselspule fließenden Wechsel- erzeugte Magnetfeld sehr groß ist — während jeder strom herrührende Alagnetisierung auftreten kann. Periode des erwähnten Wechselstroms ein großer Teil Dies ist besonders wichtig- für Wiedergabeköpfe von 5 der in Wirklichkeit immer auftretenden Hysterese-Magnettongeräten. Bei den bekannten Anordnungen schleife und bei kleineren Werten des steuernden geht der A'Ormagnetisierungsfluß stets über die Ma- Magnetfeldes sogar nahezu die ganze Hysteresegnetjoche und beeinflußt somit auf diesen Jochen ge- schleife durchlaufen wird,
gebenenfalls zusätzlich angeordnete Spulen. Nach der Erfindung sind aber die Hauptzweige 2

Vorzugsweise ist die Summe der Querschnitte je- io und 3 je in zwei Teilzweige aufgeteilt, die von Gleich-

des Teilzweigpaares kleiner als der Querschnitt des stromflüssen durchsetzt werden, und zwar in der

entsprechenden Hauptzweiges. Weise, daß jeder Teilzweig bis in die Sättigung ge-

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind im bracht ist und sich gleichzeitig diese Gleichstrom-Bereich der beiden Teilzweige des ferromagnetischen flüsse in den nicht verzweigten Teilen der Haupt-Kernes Dauermagnete angebracht, die in den Teil- 15 zweige 2 und 3 ausgleichen. Der durch die Spule 13 zweigen Gleichstrommagnetflüsse erzeugen, die sich fließende Gleichstrom stellt z. B. den vom Teilzweig 9 in den Hauptzweigen ausgleichen und jeden Teilzweig des Hauptzweiges 2 gebildeten Kemteil auf den fast in die Sättigung bringen. Punkt Q der Hystereseschleife ein (s. Fig. Z). Der

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung durch die Spule 14 fließende Gleichstrom stellt den

dargestellten Zeichnungen näher erläutert. 20 vom Teilzweig 10 des Hauptzweiges 2 gebildeten

Fig. 1, 4, 5, 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele Kernteil auf den Punkt P der Hystereseschleife ein

einer steuerbaren Drosselspule nach der Erfindung (s. gleichfalls Fig. 2). Die Gleichstromflüsse in den

und Teilzweigen 9 und 10 haben also· entgegengesetzte

Fig. 2 und 3 Kennlinien zur Verdeutlichung des Richtungen. Da die beiden Flüsse außerdem gleich

Prinzips der Erfindung, 25 groß gewählt sind, gibt es keine Gleichstromflußkom-

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- ponente im nicht verzweigten Teil des Hauptzweiges 2.

baren Drosselspule nach der Erfindung dargestellt, Die wirksame Hystereseschleife des Hauptzweiges 2,

die z.B. als Einzelteil eines magnetischen Verstärkers wie sie für die von dem in den Wicklungen 5 und 6

benutzt werden kann. Mit 1 ist der ferromagnetische fließenden Wechselstrom und im Joch 4 erzeugten

Kern bezeichnet, der aus einem vorzugsweise elek- 30 Magnetfelder auftritt, wird durch die in Fig. 3 dar-

trisch schlecht leitenden Material besteht; 2 und 3 gestellte Kennlinie dargestellt.

sind die Hauptzweige des Kernes, die bei Beeinflus- Das Auftreten einer solchen Kennlinie wird deut-

sung durch das erwähnte Magnetfeld effektiv wirk- Hch, wenn man erwägt, daß für die erwähnten

sam sind. Die Spule wird von den in Reihe liegenden Magnetfelder im Teilzweig 9 die dem Punkt Q ent-

Wicklungen 5, 6, 7 und 8 gebildet. 35 sprechende Feldstärke H_q den neuen Nullpunkt der

Auf das geschlossene Joch 4, welches gleichfalls H-Achse für diesen Teilzweig darstellt und im Teilaus ferromagnetischem Material besteht, ist eine zweig 10 die dem Punkt P entsprechende Feldstärke Spule 17 gewickelt. Ein durch diese Spule fließender H₁, den neuen Nullpunkt der JT-Achse für diesen Teil-Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches die Magnet- zweig darstellt. Die magnetische Induktion B für den flüsse beeinflußt, die im Kern 1 unter dem Einfluß 40 ganzen Hauptzweig 2 ergibt sich einfach durch Sumeines den Klemmen D-E der Wicklungen 5, 6, 7 und 8 mierung der in den Teilzweigen 9 und 10 auf tretenzugeführten Wechselstromes auftreten. Die Haupt- den Induktionen, wobei die Übertragung auf die zweige 2 und 3 sind je in zwei Teilzweige 9, 10 bzw. neuen iT-Achsen berücksichtigt ist.
11, 12 aufgeteilt. Mittels eines den Klemmen A Auf ähnliche Weise hat auch die wirksame Hyste- und F zweier in Reihe liegender Spulenpaare 13, 14 45 reseschleife für den Hauptzweig 3 die in Fig. 3 dar- bzw. 15,16 zugeführten Gleichstromes werden in die- gestellte Fora.

sen Teilzweigen Gleichstromflüsse erzeugt, in der Auch in Fig. 3 ist durch eine gestrichelte Linie die Weise, daß der Gleichstromfluß im Teilzweig 9 von Beziehung zwischen B und H angegeben, wobei wieder gleicher Größe, aber von entgegengesetzter Richtung die Hystereseverluste außer Betracht gelassen sind, zum Gleichstromfluß im Teilzweig 10 ist, und der 50 In diesem Falle kommt die Nichtlinearität auf brauch-Gleichstromfluß im Teilzweig 11 von gleicher Größe, bare Weise zum Ausdruck, wenn das mittels des jedoch von entgegengesetzter Richtung zum Gleich- durch die Spule fließenden Stromes erzeugte Magnetstromfluß im Teil 12 ist. Die Größe dieser Gleich- feld die Hauptzweige 2 und 3 über einen der Punkte Ii stromflüsse ist derart, daß jeder Teilzweig in die Sät- oder K hinaus aussteuert,
tigung gebracht ist. 55 Bemerkt wird an dieser Stelle, daß, je nachdem die

In Fig. 2 ist die Hystereseschleife des Materials des Punkte P und Q der Fig. 2 in kürzerem Abstand von

Kernes 1 dargestellt. Vorausgesetzt wird, daß die den Punkten R und JT gewählt werden (indem der

Hauptzweige 2 und 3 des Kernes 1 nicht geteilt sind. Gleichstrom durch die Wicklungen 13, 14 bzw. 15, 16

Die Steuerbarkeit einer Drosselspule beruht auf kleiner gewählt wird), auch die PunkteM und K

Nichtlinearität zwischen der magnetischen Induk- 60 näher aneinanderzuliegen kommen, so daß die FeId-

tion B und der magnetischen Feldstärke H. In Fig. 2 stärken, die benötigt werden, um den Kern in seinen

ist durch eine gestrichelte Linie der Zusammenhang nichtlinearen Teil zu bringen, auch kleiner sein

zwischen B und H für den Kern 1 dargestellt, falls können.

dabei die Hystereseverluste außer Betracht gelassen Es ist nach Fig. 3 ohne weiteres einleuchtend, daß

werden. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, daß 65 die Hystereseverluste bei der steuerbaren Drossel-

die erwähnte Nichtlinearität aber im vorausgesetzten spule nach der Erfindung beträchtlich herabgesetzt

Falle erst dann auf brauchbare Weise zum Ausdruck sind; denn während des größten Teiles der Periode

kommt, wenn das mittels des durch die Wicklung des Wechselstromes durch die Wicklungen 5, 6, 7 und

fließenden Stromes erzeugte Magnetfeld das Kern- 8 befinden sich die Teilzweige 9, 10, 11 und 12 in der

material bis in die Sättigung, also über die Punkte Ji 70 Sättigung, wo diese Verluste besonders gering und

Claims (1)

theoretisch sogar gleich Null sind. Nur bei besonders hohen Werten des steuernden Magnetfeldes, bei denen die Hauptzweige 2 und 3 weit außerhalb eines der Punkte M oder K ausgesteuert werden, nehmen die Verluste wieder wesentlich zu. Der Umstand, daß im allgemeinen nur kleine steuernde Magnetfelder zur Verfügung stehen, macht diesen Nachteil bedeutungslos. Der magnetische Widerstand der nicht verzweigten Teile der Hauptzweige 2 und 3 wird gegenüber dem der Teilzweige 9, 10 bzw. 11, 12 vorzugsweise klein gewählt, damit vermieden wird, daß in diesen nicht verzweigten Teilen trotzdem noch wesentliche Verluste auftreten. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist daher die Summe der Querschnitte jedes Teilzweigpaares kleiner als der Querschnitt des entsprechenden nicht verzweigten Hauptzweiges. In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer steuerbaren Drosselspule nach der Erfindung dargestellt, welche z. B. zum Ablesen einer auf einem geeigneten Träger aus ferromagnetischem Material festgelegten Information benutzt werden kann. Mit 1 ist wieder der Magnetkern bezeichnet, der aus vorzugsweise elektrisch schlecht leitendem Material besteht, 2 und 3 sind die Hauptzweige des Kernes 1, die bei Beeinflussung der Induktivität durch das erwähnte Magnetfeld effektiv wirksam sind. Auch hier wird die Spule wieder von den in Reihe liegenden Wicklungen 5, 6, 7 und 8 gebildet. Das Joch 21 ist mit einem Luftspalt 22 versehen. Das Prinzip eines solchen als steuerbare Drosselspule ausgebildeten Magnettonablesekopfes ist an sich bekannt. Der in den Wicklungen 5, 6, 7 und 8 fließende Wechselstrom erzeugt in den Hauptzweigen 2 und 3 Magnetflüsse, die von den am Luftspalt 22 auftretenden Magnetfeldern moduliert werden. Diese modulierten Magnetflüsse oder deren Komponenten werden mittels einer auf dem Joch 21 angebrachten Wicklung 23 in eine Wechselspannung übergeführt, die nach erfolgter Gleichrichtung einen Strom bzw. eine Spannung liefert, der bzw. die dem abgetasteten Magnetfeld proportional ist. Eine solche Vorrichtung bietet den Vorteil gegenüber einem normalen Magnettongerätabtastkopf, daß der Strom bzw. die Spannung, der bzw. die ein Maß für die abgetasteten Magnetfelder ist, praktisch frequenzunabhängig ist und daß im Zusammenhang damit auch sehr niedrige Frequenzen und Gleichfelder unbedenklich abgetastet und wiedergegeben werden können. Außerdem kann in den meisten Fällen eine Verstärkerstufe eingespart werden. Nicht nur erschweren die bei hohen Frequenzen gewünschten kleinen Kernabmessungen die Herstellung des Kernes und der Wicklung sehr, sondern die sehr kleinen Abmessungen haben hier noch den zusätzlichen Nachteil, daß der magnetische Widerstand der Hauptzweige 2 und 3 so groß wird, daß ein großer Teil der über dem Luftspalt 22 auftretenden Magnetfelder als Ableitungsfeld über diesen Spalt auftritt, so daß nur ein geringer Teil modulierend wirksam ist. Die Erfindung schafft auch hier die Möglichkeit, bei konstanter Frequenz des durch die Wicklungen 5, 6, 7 und 8 fließenden Wechselstromes die Kernabmessungen zu vergrößern oder bei konstanten Kernabmessttngen die Frequenz des erwähnten Wechselstromes zu erhöhen, ohne daß damit eine unzulässige Zunahme der Wärmeentwicklung im Kern verbunden ist. Die Hauptzweige 2 und 3 sind zu diesem Zweck je wieder in zwei Teilzweige 9, 10 bzw. 11, 12 aufgeteilt. Durch Wicklungen 13, 14 bzw. 15, 16 werden in diesen Zweigen wieder Gleichstromflüsse erzeugt, in der Weise, daß der Gleichstromfluß im Teilzweig 9 von gleicher Größe, jedoch von entgegengesetzter Richtung zum Gleichstromfluß im Teilzweig 10 ist, und ebenso der Gleichstromfluß im Teilzweig 11 von gleicher Größe, jedoch von entgegengesetzter Richtung zum Gleichstromfluß im Teilzweig 12 ist. Die Größe dieser Gleichstromflüsse ist derart, daß jeder Teilzweig in die Sättigung gebracht ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß die wirksame Hystereseschleife sowohl des Hauptzweiges 2 als auch des Hauptzweiges 3, wie sie für die durch den in den Wicklungen 5, 6, 7 und 8 fließenden. Wechselstrom und im Joch 21 erzeugten Magnetfelder auftritt, die in Fig. 3 wiedergegebene Kennlinie hat; hieraus folgt, daß die Hystereseverluste wieder in sehr beträchtlichem Maße herabgesetzt sind. Schließlich wird noch bemerkt, daß die Anordnung, wie sie in den Fig. 1 und 4 dargestellt ist, naturgemäß für die Erfindung nicht wesentlich ist. So können z. B. die Wicklungen 5, 6 bzw. 7, 8 zu einer einzigen Wicklung vereint sein, welche die Spulen 13, 14 bzw. 15, 16 völlig umgibt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Spule der Induktivität von einer einfachen Leitung gebildet wird, die durch die zwischen den Hauptzweigen 2 und 3 liegende Öffnung geführt ist, und daß gleichfalls die Spulen zum Erzeugen der Gleichstromflüsse in den Teilzweigen 9, 10 bzw. 11, 12 von einfachen Leitungen gebildet werden. In Fig. 5 ist diese Ausführungsform dargestellt. Die sich entsprechenden Teile der Fig. 4 und 5 sind gleich bezeichnet. Mit 24 ist hier die Spule der Induktivität bezeichnet. Im Zusammenhang mit der bei solchen Vorrichtungen gewünschten Symmetrie besitzt die Spule 24 an einem Ende zwei parallele Zweige 25 und 26, deren Klemmen E1 und E2 mit derselben Klemme der Wechselstromquelle verbunden werden können. Die Spulen zum Erzeugen der Gleichstromflüsse werden von den Leitungen 27 und 28 gebildet, die mittels des kreisförmigen, die Leitung 24 umgreifenden Leiters 29 in Reihe miteinander verbunden sind. Es ist aber auch möglich, die erwähnten Gleichstromflüsse durch kleine Dauermagnete zu erzeugen, die z. B. in die Teilzweige 9, 10, 11 und 12 eingebaut sind, naturgemäß mit geeigneter Stärke und richtigem Vorzeichen. Diese Dauermagnete brauchen nicht in den Teilzweigen selbst angebracht zu werden, sondern können auch in den nicht verzweigten Teilen oder sogar in den Öffnungen zwischen den Teilzweigen angeordnet werden, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt; hier ist nur der Ferromagnetkern 1 mit den Hauptzweigen 2 und 3 dargestellt, die in die Teilzweige 9, 10 bzw. 11, 12 aufgeteilt sind. Mit 30 sind die Dauermagnete bezeichnet. Patentansprüche:

1. Steuerbare Drosselspule für Schwachstromzwecke, bestehend aus einem mit einem Magnetjoch in Reihe liegenden ferromagnetischen Kern, der mit wenigstens zwei Wicklungen versehen ist und zwei parallele Hauptzweige aufweist, die je in zwei parallele Teilzweige unterteilt sind, wobei ein im Magnetjoch erzeugtes, veränderbares Magnetfeld eine Änderung der Spuleninduktivität bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (5, 6 und 7, 8) einander gegenphasig auf die Hauptzweige (2, 3) des Kernes (1) gewickelt sind und daß Mittel (13 bis 16 bzw. 30) vorgesehen sind, die in den beiden Teilzweigen (9, 10 bzw. 11, 12) jedes Hauptzweiges (2, 3) Gleichstrom-