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Elektromagnetische Vorrichtung.
Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Vorrichtungen, insbesondere auf solche, die für die Übertragung von Schwingungsenergie verwendet werden.
Der Zweck der Erfindung ist, die magnetischen Systeme und die Schwingungssysteme elektromagnetischer Vorrichtungen mit ausgeglichene Anker derart zu verbessern, dass man eine hochempfind- , liche Vorrichtung erhält, die ohne Verzerrung und mit gleicher Genauigkeit Schallwellenenergie aller für Sprache und Musik in Betracht kommenden Frequenzen überträgt.
Ein ausgeglichener Anker ist ein Anker, der aus einer normalen Stellung bewegt werden kann, aber durch mechanische Beeinflussung in einer Stellung normalen oder neutralen Gleichgewichtes gegen die magnetischen Kräfte des magnetischen Feldes, in welchem er sich befindet, festgehalten wird. Mecha- ) nisch federnde Teile wirken auf den verstellten Anker mit einer Rüekstellkraft, die um ein geringes grösser ist. als die Bewegungskraft, mit welcher das magnetische Feld auf den Anker einwirkt. Eine elektromagnetische Vorrichtung mit einem ausgeglichenen Anker befindet sich in dem stabilen Gleichgewichtszustand bis eine Veränderung in der Stärke des elektromagnetischen Feldes oder der Stützkräfte eintritt, die den Ausgleichszustand stört und die Stellung des Ankers ändert.
Eine elektromagnetische Vorrichtung, die mit höchster Genauigkeit Schwingungen hoher und niedriger Frequenzen übertragen soll. muss folgende Bedingungen erfüllen : 1. Die rückstellende Kraft, die auf den Anker einwirkt, wenn dieser verschoben ist. d. h. der Unterschied zwischen dem von dem stetigen magnetischen Feld bewirkten Zug in der einen Richtung und dem Zug der Ausgleichsfeder in der ändern Richtung, muss gering sein. damit das System, welches hohe Frequenzen wirkungsvoll wiedergibt, mit gleicher Wirkung auch niedere Frequenzen zur Wiedergabe bringen kann.
2. Die ruckstellende Kraft muss. gering und im wesentlichen proportional der Ankerverstellung sein, damit keine Verzerrungen in der Form von zusätzlichen Harmonischen auftreten. Solche zusätzliche Harmonischen entstehen, wenn das Verhältnis der rückstellenden Kraft zur Ankerverschiebung sieh ändert.
3. Die Triebkraft je Triebstromeinheit muss im wesentlichen unabhängig von der Ankerverschiebung sein, damit Verzerrungen in der Form von zusätzlichen Harmonischen (die durch eine Änderung entstehen) nicht eintreten können.
In den bisher bekannten elektromagnetischen Einrichtungen, in welchen der magnetische Zug des stetigen Feldes an dem Anker im wesentlichen proportional dem Quadrat der Ankerverstellung ist oder einem andern nichtlinearen Gesetze folgt, werden die beiden ersten Bedingungen erfüllt, wenn eine rückstellende Kraft geschaffen wird, die demselben Gesetz folgt wie der magnetische Zug. Solche Vorrichtungen erfüllen aber nicht die dritte Bedingung.
Es ist deshalb der Zweck der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektromagnetische Vorrichtung mit ausgeglichenem Anker zu schaffen, bei welcher die auf das Schwingungssystem wirkende, vom Feld des Magneten herrührende Kraft im wesentlichen proportional der Ankerverstellung ist und bei welcher die Triebkraft je Triebstromeinheit für alle Ankerverschiebungen im wesentlichen konstant ist.
In dem elektromagnetischen Schwingungssystem gemäss der Erfindung ist demgemäss der magnetische Zug, den das stetige Feld auf den Anker ausübt, im wesentlichen proportional der Verschiebung
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Quadratgesetz oder einem andern nichtlinearen Gesetz. Der Anker wird mittels einer einfachen Feder ausgeglichen, deren Rückstellkraft proportiuml--dex- Ankerverstellung und vorzugsweise etwas grösser als die Kraft des magnetischen Feldes ist, mir die ZHrüekführuna'des Ankers in die Normalstellung zu sichern.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Zunahme des magnetischen Widerstandes bei annähernder Sättigung ausgenutzt. Die Induktion ist für gewisse Teile des magnetischen Stromkreises, wie die Polstücke und den Anker, derart gewählt, dass diese Teile rasch gesättigt sind, wenn der Anker auf die Pole zu bewegt wird. Um dies zu erreichen, werden die Polstücke und der Anker mit verringerten Querschnitten ausgeführt, vorzugsweise indem sie sich in Richtung gegen den Luftspalt zu verjüngen.
Nach grundlegenden magnetischen Gesetzen ist die auf den Anker wirkende Kraft porportional dem Quadrate der Luftinduktion. Für die ausgeglichene Ankerart mit vier Luftspalten, welche betrachtet
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durch den Anker verlaufende Fluss ist.
'Der Fluss T ist der gesamte im Luftspalt vorhandene Fluss der unter den herrschenden Zuständen durch den Magnetismus des Magneten 12 hervorgerufen wird. , bezeichnet nur den Teil des Flusses. 0T der den Anker durchströmt, wenn dieser sieh nicht in der normalen oder neutralen Stellung befindet.
Wenn der Anker im magnetischen Feld zentriert ist, ist der magnetische Fluss innerhalb des Ankers in einem ausgeglichenen Zustand. Der magnetische Fluss , würde sich bei Verstellungen des Ankers nach entgegengesetzten Seiten der neutralen Stellung ändern un, d in entgegengesetzten Richtungen strömen. Die Veränderung wurde von der Grösse der Verstellung aus der neutralen Stellung abhängig sein, doch kann die Grösse dieses Flusses niemals die Grösse des Gesamtflusses 0T durch den Luftspalt erreichen.
Diese Anordnung ist in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellt.
Um die zusätzlichen Harmonischen auszumerzen, welche durch das nichtlineare Verhältnis der Rückstellkraft zur Ankerverstellung entstehen, und dabei eine einfache Rückstellfeder verwenden zu können, ist es notwendig, dass die durch das Feld des Magneten hervorgerufene Kraft proportional der Ankerverstellung ist. Dies erfordert, dass das Produkt T, A proportional der Verschiebung ist, während die Herabsetzung der zweiten Art Verzerrung, nämlich die zusätzlichen Harmonischen, die durch die Veränderung des Ankerflusses vom stetigen Felde her entstehen, verlangt, dass der längs durch den Anker verlaufende Fluss ( proportional der Verstellung ist. Um beide Bedingungen zu erfüllen, muss natürlich der den Polstücken gelieferte Fluss T konstant gehalten werden.
Bei der Art magnetischer Stromkreise,
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so herabgesetzt wird, dass diese Teile rasch gesättigt sind, wenn der Anker sich den Polstücken nähert.
Wenn die Querschnitte im magnetischen Stromkreis klein gemacht werden, wird die Zunahme an magnetischem Leitungswiderstand im magnetischen Stromkreis, die von der annähernden Sättigung herrührt, wenn der Anker sich den Polstücken nähert, verhindern dass die Triebkraft sich merkbar mit
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den Feldes und des stetigen Feldes durch den Anker ist, ist ebenfalls das Produkt des wechselnden Flusses je Stromeinheit und des stetigen Flusses konstant für die Schwingungsamplitude des Ankers. Mit andern Worten : die Kraft je Einheit treibenden Stromes ist konstant. Hie durch wird die zweite Art von Ver- zerrung ausgemerzt, die sonstin elektromagnetischen Vorrichtungen mit schwingenden Ankern sich bemerk- bar macht, wenn die von dem magnetischen Feld ausgeübte Kraft der Verstellung des Ankers nicht proportional ist.
Einige weitere Zweckbestimmungen und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den Zeichnungen zu einem besseren Verständnis beitragen soll.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht. der schwingenden elektromagnetischen Vorrichtung oder des Relais.
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ist eine Stirnansieht der Vorrichtung auf die Ebene 3-. 3, welche in Fig. 2 angegegeben ist. Fig. 4 ist eine Stirn-und teilweise Querschnittsansicht der Vorrichtung nach der in Fig. 2 angegebenen Ebene 4-4.
Fig. 5 ist die Darstellung von drei Verstellkraftkurven. Fig. 6 ist eine Darstellung von drei Verstellungs- kurven für die später zu besprecliende negative Elastizität.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figuren gleiche Teile.
Nach Fig. l und 2, welche Ansichten der schwingenden elektromagnetischen Vorrichtung von der Seite und von oben zeigen, befindet sieh diese Vorrichtung zum Teil im Querschnitt, um den Anker erkennen zu lassen. Das Trageglied, um welches die Teile angeordnet sind, ist mit 10. bezeichnet, die
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Kraft für oder von dem Anker mit 17 und die Wechselstromwicklungen mit 18 und 19. Der sich verjün- gende Abschnitt des Dauermagneten 12 gegen die Polstücke hin ist in Fig. 2 dargestellt. Die Teile 20 und 21 sind aus Permalloy hergestellt.
Permalloy ist eine magnetische Legierung mit wertvollen magne-
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tischen Eigenschaften, deren Verwendung m Verbindung mit vorliegender Erfindung jedoch von'keiner wesentlichen Bedeutung'ist.
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der bestgeeignete magnetische Kraftfluss zum Fliessen kommt, um eine im wesentlichen gestreckte Linie al < Verstellkraftkurve der Kraft zwischen dem Anker und den Polstücken bei jeder beliebigen Betriebsstellung zu erhalten. Die Welle 14 im Querschnitt und ihre Befestig'ungsmittel am Anker sind in Fig. 3 dargestellt.
Einzelheiten der Feder, welche für die sich bewegenden Teile eine im wesentlichen konstante Elastizität des Ankers, um der magnetischen Verstellkraft entgegenzuwirken, schaffen soll, sind insbesondere in Fig. 4 dargestellt, wo einzelne Teile im Querschnitt gezeichnet sind. Das Gestellglied-M
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schraubt und haben Mittelbohrungen, in welche die Feder 15 eintritt. Die Achse dieser Bohrungen steht senkrecht zur Welle 14 und ist so angeordnet, dass, wenn die Feder 15 gegen die Lappen 24 zu jeder Seite der Ankerwelle anliegt und die Enden der Federn sich in den einstellbaren Trägern 25 und 26 befinden, die Feder unter einer Biegespannung in einer Weise angeordnet ist, dass die Ankerwelle im richtigen Eingriff mit ihrer Lagerung gehalten wird.
Wenn die Glieder 26 und 26 einwärts geschraubt werden, wird die Feder 15 unter grössere Spannung gesetzt, und wenn das eine oder andere der Glieder 26 oder 26 in grösserem oder geringerem Masse hineingedreht wird, ist eine Einstellung des Ankers in jeder beliebigen statischen Winkellage möglich, welche unter gewöhnlichen Umständen seine Mittelstellung ist, so dass die Luftspalte symmetrisch zwischen Anker und den festen Polstücken liegen. Natürlich sucht die Schwingung des Ankers in der einen oder andern Richtung von seiner Mittelstellung aus die Feder 15 zu biegen.
Die Anordnung dieser Feder ist derart, dass sie im wesentlichen die gleiche Charakteristik aufweist, wie das stetige magnetische Feld ; die beiden Elastizitäten stehen aber einander entgegen. Es ist von Bedeutung.
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Um Verschiebung zu vermeiden, ist es wünschenswert, solche Spannungen klein zu machen, wie z. B. die, welche die Seitenbewegung der Feder mit sich bringt. Die Feder 15 ist mit Bezug auf den Drehmittelpunkt des Ankers und die Einstellglieder 2. und 26, welche in einer richtigen Entfernung vom Drehmittelpunkt angeordnet sind. derart gelagert, dass, wenn der Anker schwingt, die Feder keine seitliche Bewegung erhält ; die Feder kann aber auch in anderer Weise gegen Seitenbewegung begrenzt sein.
Die im wesentlichen gestreckte Verstellkraftkurve wird, wie oben festgestellt, durch richtige Bemessung der Querschnittfläche des Ankers und der Polstücke für einen gegebenen stetigen magnetischen Feldfluss erreicht. Fig. 5 zeigt drei Kurven für drei stetige Felder von verschiedenen Stärken, welche auf den gleichen Anker und die gleichen Polstücke wirken. Die Verstellung ist auf der X-Achse und die Kraft auf der Y-Achse aufgetragen. Kurve A stellt den Zustand dar, wo der Fluss weder den Anker noch die Polstücke hinreichend sättigt. Kurve B stellt den Zustand dar, wo der Fluss Teile des magnetischen Strom-
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wenn der Anker verstellt wird ; die Verstellkraftkurve ist nahezu eine gerade Linie über den grösseren Teil des Luftspaltes.
Kurve C stellt den Zustand dar, wo der Fluss so stark ist. dass der Anker sich bei einer
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vorliegt. Es ergibt sieh deshalb klar. dass der Anker, der mit dem bestimmten Luftspalt mit den benutzten Polstücken betrieben wird, bei der durch die Kurve B angegebenen Feldstärke betrieben werden soll.
Wenn ein stärkeres Feld notwendig ist, muss ein Anker von grösserem Querschnitt oder ein kürzerer Luftspalt Verwendung finden. Wenn ein schwächeres Feld benutzt wird. ist ein dünnerer Anker oder ein längerer Luftspalt notwendig. Durch richtige Bemessung dieser drei Faktoren ist es möglich, innerhalb gewisser Grenzen des magnetischen Werkstoffes eine im wesentlichen gerade Verstellkraftkurve für jede beliebige Stärke des Feldes zu erzielen.
Bei der Konstruktion des Sehwingungssystems einer elektromagnetischen Vorrichtung kann die
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sichten als eine Feder betrachtet werden, wobei die Elastizität als das Verhältnis der Kraft zur Ankerverstellung (in C.-G.-S.-Einheiten, Dyn je cm) anzusehen ist. Da die Elastizität des magnetischen Feldes bestrebt ist, die Verschiebung. des Ankers zu erhöhen anstatt denselben in seine Mittelstellung zurückzu-
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bringen,'so'ist das Vorzeichen dieser Elastizität-entgegengesetzt dem Vorzeichen der mech anischen Elasti- zität einer Feder und kann deshalb eine negative Elastizität benannt werden.
Man kann deshalb bequem die bekannte mathematische Theorie für elektrische Wellenübertragungssysteme anwenden, da bekanntlieh die Induktanz und die Kapazität analog sind der Masse bzw. der reziproken Elastizität eines mechanischen Schwingungssystems.
Die Verstellkraftkurve der Fig. 5 lässt sich deshalb in anderer Weise, z. B. wie in Fig. 6, darstellen.
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achse die Verstellung in cm angegeben. Sie zeigt die sogenannte negative Elastizität des magnetischen Feldes, die durch die Schräglage der Verstellkraftkurve ausgedrückt ist. Die Verstellkraftkurve, welche eine im wesentlichen gerade Linie ist, ergibt z.
B. eine im wesentlichen konstante negative Elastizität.
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in Fig. 6 ergibt, die im wesentlichen flach in horizontaler Richtung oder im wesentlichen parallel zur X-Aehse ist ; die Kurve C ergibt indessen eine negative Elastizitätskurve 0', wobei die negative Elastizität etwas über zweimal so gross in der Mitte des Luftspaltes als in der Nähe der Polstücke ist ; Kurve A ergibt eine negative Elastizitätskurve J/, die viel kleiner in der Mitte des Luftspaltes als in Nähe der Polstücke ist.
Diese beiden Arten von Kurven drücken ein ähnliches Kennzeichen auf zwei verschiedenen Wegen aus und beide geben an, dass die magnetische Elastizität der Verstellung des Ankers im wesentlichen proportional ist, wenn die Kurven praktisch gerade Linien sind.
Es geht aus der obigen Beschreibung hervor, dass eine elektromagnetische Vorrichtung mit ausgeglichenem Anker, die derart angeordnet ist, dass eine konstante negative Elastizität oder ein konstantes Verhältnis der Rückstellkraft zur Ankerverstellung geschaffen wird, die Bedingungen für eine getreue Übertragung von Schwingungsenergie über einen weiten Frequenzbereich erfüllt und die Verzerrung ausmerzt, die durch Veränderungen in der Elastizität der Rückstellkraft und durch Veränderungen in der Triebkraft je Einheit treibenden Stromes verursacht wird. Die Erfindung ist in Verbindung mit elektrischen Aufnahme-und Wiedergabeapparaten beschrieben worden. Dieselbe kann aber auch in andern Apparaten benutzt werden, z.
B. in Telephonempfängern und in Relais mit ausgeglichenen Ankern, wie solche beispielsweise für die Übertragung von Schwingungsenergie in Kabel-Endapparaten benutzt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE
1. Elektromagnetische Vorrichtung mit einem magnetischen Kreis, der einen Magneten mit Polstücken und einen Anker enthält, der im Luftspalt zwischen den Polspitzen schwingen kann, und mit einer federnden Einrichtung, welche auf den Anker eine rückstellende Kraft ausübt, die im wesentlichen
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der magnetische Kreis der Vorrichtung Teile von verringertem Querschnitt hat, die allmählich gesättigt werden, wenn der Anker sich den Polstücken nähert, so dass die auf den Anker wirkende Kraft im wesentlichen proportional der Verstellung des Ankers aus seiner neutralen Stellung ist, wobei die rückstellende Kraft der federnden Einrichtung etwas grösser als die magnetische Verstellkraft gemacht ist.