Elektromagnetische Anordnung zur Steuerung einer elektrischen Leistung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Anordnung zur Steuerung einer elektrischen Leistung, mit einem Kern aus ferromagnetischem Material, einer ersten auf den Kern gewickelten Wicklung und einer zweiten auf den Kern gewickelten Wicklung, die von der ersten Wicklung magnetisch entkoppelt ist, von welchen Wicklungen eine Zer Steue- rung ader Leistung in der anderen mittels Beeinflussung der Reluktanz von beiden Wicklungen zugeordneten Kernzonen dient.
Die Eigenschaften ferromagnetischer Materialien werden seit langem beim Entwurf und bei der Herstellung von Komponenten figur elektrische Schaltungs- anordnungen verwertet. Die Induktanzanordnungen, welche von der Magnetisierung Gebrauch machen, umfassen solche von der einfachen Drosselspule, die eine auf einem ferromagnetischen Kern angeordnete Wicklung aufweisen, bis zum Komplizierten magnetischen Verstärker und zum sättigbaren Transformator.
Solche Anordnungen sind sehr nützlich, weil mit ihrer Hilfe eine leichte Beeinflussung ihrer grundlegenden elektrischen Eigenschaften möglich ist. Diese Beeinflussung erfolgt auf elektrischem Wege, wodurch eine grosse Anzahl von Möglichkeiten der Steuerung entsteht. Wenn zum Beispiel die mittlere Impedanz in einer tJbertr gungslei,teng Ibeeinflusst werden soll, kann eine sättigbare Drosselspule verwendet werden und die mittlere Impedanz Iderselben durch einen Gleichstrom gesteuert werden, der an eine Steuerwicklung angelegt wird. Das Prinzip der Arbeitsweise solcher sättigbarer Induktanzelemente ist bekannt, und sie werden in grossem Umfang verwendet.
Wenn landererseits die Kopplung zwischen Ider Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines Transformators beeinflusst werden soll, dann können die Wicklungen auf einen Kern gewickelt werden und die Verkettung der magnetischen Flüsse durch einen durch eine Steuerwicklung geschidkten Strom beeinflusst werden.
Gewöhnlich geschieht dies dadurch, dass die Flusssdichte in einem tNberbrückungstèil, lauch Jochteil genannt, des Kerns geändert wird, welcher zwischen dem primären Teil und Idem sekundären Teil des Kerns angeordnet ist, wobei verschieden starke von der Primärwicklung erzeugte magnetische Flüsse im über- brückungsteil entstehen.
Sowohl bei Ider sättigbaren Drosselspule als auch beim sättigbaren Transformator Ider beschriebenen Art hängt Idie Steuerung davon laib, dass der Kern bis ins Gebiet der Sättigung getrieben wird.
{Diese Art des Betriebes bringt jedoch Verzerrungen mit sich, die in vielen Fällen nicht tragbar sinid. Um Ibei solchen Induktanzelementen die ILeistungsaufnahme zu erhöhen, musste man zu Kernen immer grösserer Ab messungen schriften, wodurch der Bereich der Ströme, die verarbeitet werden können, erhöht wird. Ohne Rücksicht auf die Grösse der Kerne kann man mit solchen Induktanzelementen jedoch keine Steuerung in einem weiten Bereich ausüben, und sie beiden zudem eine nicht tragbare Verzerrung der zu übertragenden Signale.
Weiter müssen Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass der Wechselstrom in der Verbraucherwicklung ilm Falle einer sättigbaren Drosselspule und in der Primärwicklung im Falle eines sättigbaren Transformators keinen grossen Strom in der gleichstrom!durchilossenen Steuerwicklung erzeugt. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, dass ein Paar Wech selstromwicklungen vorgesehell werden, die zu Ider Gleichstromwicklung so angeordnet sind, dass Idie von ihnen erzeugten Wechselflüsse sich auslösen.
Bei dieser an sich vorteilhaften Anordnung werden jedoch die Grösse, die Kosten und die Kompliziertheit der Induk- tanzelemente erhöht.
Es sind ferner sogenannte Biax-Elemente bekannt; diese sind mit zwei sich senkrecht Ikreuzenden Bohrun gen versehen, durch welche Leitungen hindurchgeführt sind. Solche Biax-Elemente werden ausschliesslich als Logikelemente und Speicherelemente für Computer benutzt; zur Durchführung der verschiedenen Funktionen, wie Einstellen, Einschreiben, Auslesen und Löschen von Information, werden die entsprechenden Leitungen jeweils mit Strom impulsen beaufschlagt. Diese Biax Elemente sind jedoch noch nicht zur Steuerung und Übertragung elektrischer Dauerleistungen Ibzw. von Dauerströmen verwendet worden.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer elektromagnetischen Anordnung, zur Steuerung einer elektrischen Dauerleistung, welche zwar die günstigen Eigenschaften bekannter Induktanz-Bauelemente, nicht jedoch deren Nachteile aufweist.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kern so ausgebildet ist zund rdie Wicklungen so auf dem Kern angeordnet sind, dass die durch gleichzeitige Ströme in den Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse in gewissen Kernzonen sich additiv und in anderen Kernzonen sich subtraktiv überlagern.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Anordnung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Wicklung mit Wechselstrom gespeist wird.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann insbesonde- re als regelbare Drossel oder als Regeltransformator ausgebildet sein bzw. betrieben werden.
Die neuen Anordnungen können viel kleiner, weni- ger komplex und infolgedessen sehr viel preiswerter als zur Zeit erhältliche Induktanzelemente entsprechender Leistungsaufnahme hergestellt werden,.
Im folgenden werden verschiedene Ausführungs- formen der erfindungsgemässen Anordnung anhand der Figuren beispielsweise erläutert.
In den Fig. 1, 2, 3, und 4 ist eine erste grundsätzliche Ausführungsform dargestellt und in ihrer Arbeitsweise verdeutlicht;
Fig. 1A, 2A, 3A und 4A zeigen Ansichten mit Schnitten gemäss den Linien 1A-1A, 2A-2A, 3A3A und 4A 4A gemäss den Fig. 1 bis 4, wobei die Wicklungen der Klarheit wegen weggelassen sind;
Fig. 5 zeigt die BH-Kennlinie für einen Fllusspfad des Kerns gemäss den Fig. 1 bis 4, wenn der magnetische Fluss nur durch eine einzige stromdurchflossene Wicklung erzeugt wird;
Fig. So und SC zeigen die BH+Kennlinien für die einzelnen Stege des Kerns gemäss Fig. 1 bis 4, wenn durch diese jeweils zwei Flüsse in entgegengesetzten Richtungen verlaufen;
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Fig. 5D zeigt die resultierenlde BH-Kennlinie für einen Flusspfad in dem in Fig. 1-4 dargestellten Kern, welcher Flusspfad über einen Steg, in welchem zwei unabhängig voneinander erzeugte Flüsse in entgegengesetzten Richtung zueinander verlaufen, und über einen Steg, in welchem die Flüsse sich addieren, verläuft;
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität vom Steuerstrom;
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform;
Fig. 8 eine dritte Ausführungsform;
Fig. 9 eine vierte Ausführungsform;
Fig. 10 zeigt in vereinfachter Darstellung eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemässen Anord nung;
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Fig. 11 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer als steuerbares Induktanzelement (Drossel) ausgebildeten Ausführungsform;
Fig. 12 das Schaltbild eines auf verschiedene Frequenzen abstimmlbaren LC-Kreises mit einem steuer- baren Induktanzelementen;
Fig. 13 das Schaltbild einer Modulatorschaltung mit einem steuerbaren Induktanzelement;
Fig. 14 das Schaltbild eines Verstärkers mit einem steuerbaren Induktanzelement;
In Fig. 15A, 15B und 15C sind in schematiseher Darstellung Kerne dargestellt, in denen die Wicklungen nicht rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Die Grundlagen der Arbeitsweise, insbesondere als regelbare Drossel oder als Regeltransformator, lassen sich weiter anhand der Fig. 1, 1A, 2, 2A, 3, 3A, 4 und 4A zusammen mit den in den Fig. 5A, 5B, 5C und 5D dargestellten BHKurven erläutern. Da die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Anordnungen sich nur durch die Betriebszustände unterscheiden, sind in ihnen entsprechende Teile durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet.
Gemäss Fig. 1 ist ein ferromagnetischer Kern 10 mit den sich durchkreuzenden Durchbrüchen, 11 und 12 versehen. Der Kern weist demgemäss vier Kernzonen
13, 14, 15 und 16 und Jochteile 17 und 18 auf, welche die Kernzonen durch eine Masse ferromagnetischen Materials verbinden. Eine erste Wicklung 19 ist um finden Jochteil 18 dadurch den Durchbruch 11 hindurch und eine zweite Wicklung 20 um den Jochteil 17 durch die Öffnung 12 hindurch gewickelt.
Der Einfachheit halber werden die Kernzonen im folgenden auch als Stege bezeichnet; das soll jedoch nicht heissen, dass in jedem Falle bei zudem betrachteten Kern tatsächlich strukturell definierbare Stege vorhan den sind.
Durch die folgende Erläuterung wird die Arbeitsweise der Anordnung in ihrer einfachsten Form erläu tert, d. h. wenn beispielsweise durch die eine Wicklung
19 ein Wechselstrom un,d durch die andere Wicklung 20 ein Gleichstrom geschickt wird, wobei feder durch den Gleichstrom erzeugte Gleichfiuss die Permeabilität des
Kerns längs des Pfades bestimmt, den der durch den Wechselstrom in feder Wicklung 19 erzeugte Fluss ein schlägt. Es können natürlich, wie bereits erwähnt und wie auch im folgenden noch ausgeführt wird, auch andere Kombinationen bezüglich der Ströme gewählt werden. Die zu beeinflussende Wicklung 19 soll der Einfachheit halber als Verbraucherwicklung bezeichnet werden, während die Wicklung 20, in welcher die Steuerung erfolgt, die Steuerwicklung genannt werden soll.
Gemäss Filg. 1 und 1A weist wider magnetische Kreis des Gleichflusses, den der Gleichstrom in der Wicklung 20 erzeugt, zwei Flusspfade auf, die durch die in ausgezogenen Linien gezeichneten Pfeile, die vollen Punkte und die von einem einzigen Kreis umschlossenen Kreuze dargestellt sind. Der erste dieser Pfade verläuft durch den Jochteil 17, den Steg 13, den Jochteil 18 und den Steg 14.
Der magnetische Kreis des Wechsel flusses, dertdurch die strichliert gezeichneten Pfeile, die kleinen Kreise und die durch zwei Kreise umrandeten Kreuze dargestellt ist und der Dadurch den in der Wicklung 19 fliessenden Wechselstrom entsteht, weist ebenfalls zwei Flusspfade auf, und zwar einen ersten FlusspfaXd dadurch den Jochteil 17, den Steig 14, den Jochteil 18 und den Steg 15 und einen zweiten Flusspfad durch laden Jochteil 17, den Steg 13, den Jochteil 18 und den Steg 16.
Natürlich besteht in jedem der Stege nur ein Fluss mit einer Gleichflusskomponente und einer Wechselflusskomponente. Aus Gründen der Klarheit wird jede dieser Komponenten im vorliegenden Text auch einfach als muss bezeichnet. In jedem ersten Halbzyklus des Wechselstroms addieren sich die Gleichflusskomponente und die Wechselflusskomponente in den Stegen 13 lund
15, haben jedoch in den Stegen 14 und 16 entgegengesetzte Richtungen. Infolgedessen ist die Permeabilität der Stege 14 und 16 sehr viel grösser als die der Stege 13 und 15, und die Reluktanz in den Stegen 14 und 16:ist niedriger als ,die Reluktanz in den Stegen 13 und 15.
Im zweiten Halbzyklus des Wechselstroms sin!d die Flusskomponenten in den Stegen 13 und 15 entgegengesetzt zueinander gerichtet und addieren sich in laden Stegen 14 und 16. In jedem Haibzyklus verläuft jedoch jeder Pfad rades Wechselflusses durch einen additiven und durch einen substraktiven Steg. Infolge der additiven Flusskomponenten im Steg 15 und der subtraktiven Flusskomponenten im Steg 14 ist Idie mittlere Permeabilität des ersten Pfades des Wechseiflusses vermindert und infolgedessen die mittlere Induktivität Ider Wicklung
19 vermindert.
Die mittlere Permeabilität des zweiten Pfades des Wechselflusses ist ebenfalls vermindert, weil dieser Pfad ebenfalls eine erste Kernzone aufweist, in welcher die Flusskomponenten entgegengesetzte Richtunlgen haben, und eine zweite Kernzone, in welcher sie additiv sind. Die mittlere Permeabilität eines jeden Wechseiilusspfades ist demgemäss verringert und infolgedessen ist auch die mittlere Induktivität der Wicklung 19 vermindert. Der Kern ist vorzugsweise symmetrisch aufgebaut, so dass die Arheitsweise in jeder Halbperiode des Wechselstroms die gleiche ist.
Der Wechsel,$1uss innerhalb des Kerns ist längs seines gesamten Flusspfades nicht gesättigt, und die BH Kennlinie indes Kerns bleibt im ungesättilgten Bereich. Da die beiden Komponenten Ides Flusses (Gleichfluss und Wechselfluss) in mindestens einem Teil Ides Wechs elflusspfades entgegengesetzt gerichtet sind, bedeutet eine Steigerung des Gleichstroms, dass eine Steigerung des Wechselstroms ohne Verzerrung toleriert werden kann. Dieser Sachverhalt ist also genau entgegengesetzt wie bei den zur Zeit bekannten elektromagnetischen Anordnungen, bei denen eine Steigerung des Gleichstroms bedeutet, dass der Wechselstrom entsprechend verkleinert werden muss.
Dadurch, dass der Gleichstrom in der Steuerwicklung 20 geändert wird, erhält man eine Indukttanz- anordnung mit veränderbarer Impedanz der Verbr,au- cherwidklung 19; der variable Gleichstrom wirkt also als Steuerstrom. Eine solche Induktanzanordnung kann unter anderem als Spannungskonstanthalter verwendet werden. Die Inlduktanzanordnung kann auch in anderer Weise benutzt oder betrieben werden. So kann, anstatt dass die Verbraucherwicklung von Wechselstrom und die Steuerwicklung von Gleichstrom durchflossen wird, die Verbraucherwicklung von Gleichstrom und die Steuerwicklung von Wechselstrom durchflossen werden, oder es können beide Wicklungen von Wechselstrom durchflossen werden.
Bei der Konstruktion einer Induktanzanordnung werden die Wicklungen 19 und 20 vorzugsweise so auf dem Kern angeordnet, dass im bevorzugten Arbeitsbereich in der Wicklung 20 keine oder nur eine geringe Spannung induziert wird. Dies geschieht zweckmässig dadurch, dass die Wicklungen 19 und 20 senkrecht zueinander angeordnet werden, d. h. mit sich kreuzenden Achsen.
Wie bereits ausgeführt, fliesst in einem Teil seines Pfades der Wechselfluss von einem Steg, hoher Permeabilität zu einem Steg niedriger Permelabilibät. Der durch den Steg hoher Permeabilität verlaufende Fluss könnte auch auf einem geschlossenen Pfad über die Jochteile geführt werden, indem die Enden der Stege diagonal verbunden würden, wobei der Fluss dann durch einen Steg hoher Permeabilität anstatt durch einen Steg niedriger Permeabilität verliefe.
Die Reluktanz R gegenüber dem magnetischen Fluss kann annähernd durch die Formel
R = L/jA ausgedrückt werden, wobei L die Länge des Flusspfades, u die Permeabilität und A den Querschnitt indes Flusspfades darstellen. Daraus ergibt sich, wenn wider Gleichfluss gross genug gemacht wird, dass bei ansteigendem Wechselfluss ein Punkt erreicht wird, in welchem ein Teil des Flusses längs der Diagonale verläuft.
Gemäss Fig. 2 und 2A fliesst durch Idie Wicklung 20 ein iim Vergleich zu Fig. 1 Igrösserer Gleichlstrom und demgemäss im Kern ein grösserer Gleichlfluss. Infolge der Vergrösserung des Gleichflusses haben tdie Stege 15 und 13 geringere Permeabilitäten als im Falle der Fig.
1 und entsprechend höhere Reluktanzen. Ein Teil des Wechselflusses, der vom Steg 14 zum Steg 15 verläuft, kann einen Pfad einschlagen, der eine geringere Reluktanz aufweist, und so kann es eintreten, dass nicht der ganze Wechselfluss längs eines ziemlich geraden Pfades vom Steg 14 zum Steg 15 verläuft, sondern dass er zum zentralen Teil des Jochteiis 18 hin etwas ausfranst . Andere bekannte, aber noch nicht gänzlich geklärte Erscheinungen in magnetischen Kreisen, Idie mit dem Auftreten und der Magnetisierbarkeit magnetischer Bezirke zusammenhängen, tragen ebenfalls zu diesem Ausfransen bei.
Da der Fluss, der in dieser Weise ausfranst, die Wicklung 20 in gleicher Grösse, aber in entgegengesetzten Richtungen schneidet, besteht zwischen den Wicklungen 19 und 20 nur eine sehr geringe Verkettung der Flüsse, und dadurch bleibt eine gute Entkopplung zwischen den Wicklungen bestehen.
Wird der Gleichstrom noch weiter erhöht, dann entsteht im Kern ein noch stärkerer Gleichfluss. Dies ist in Fig. 3 und 3A dargestellt. Gemässdiesen Figuren ist um den Jochteil 17 und durch den Durchbruch 12 hindurch eine dritte Wicklung 21 geführt, deren Achse parallel zur Achse der Wicklung 20 ist. Diese dritte Wicklung 21 wirkt als Sekundärwicklung derart, dass die Anordnung nunmehr als Regeltransformator benutzt werden kann. Wenn der Gleichfluss im Kern ansteigt, wird in den Stegen 13 und 15 die Reluktanz immer grösser und rdie Permeabilität immer kleiner. Wie bereits ausgeführt hängt die Reluktanz des magnetischen Kreises sowohl von seiner Länge als auch von seiner Permeabilität ab.
Wenn die Permeabilität des Steges 15 immer kleiner wird, dann wird die Reluktanz des magnetischen Pfades zwischen Idem Steg 14 und dem Steg 16 kleiner als die Reluktanz des magnetischen Pfades zwischen dem Steg 14 und dem Steg 15.
Infolgedessen wechselt ein Teil !des aus zudem Steg 15 kommenden Flusses zum Jochteil 18 über und fliesst in das eine niedrige Reluktanz aufweisende Gebiet des Steges 16.
Dieser abgezweigte Fluss durchsetzt die dritte Wicklung 21, so dass in dieser eine Spannung induziert wird.
Der abgezweigte Fluss durchsetzt ebenfalls Idie Wicklung 20 und induziert auch in dieser eine Spannung, die Wicklung dieser Spannung kann durch eine entsprechende Drossel praktisch unterdrückt werden. Es sei bemerkt, dass es keinen besonderen Zeitpunkt gibt, in welchem der Fluss aus dem Steg 14 zum Steg 16 überwechselt, statt durch den Steg 15 zu fliessen; vielmehr handelt es sich hierbei um einen allmälhlich verlaufenden Vorgang, bei welchem beim Ansteigeni der Reluktanz des Steges 15 und ibeim Abfallen !der Reluktanz des Steges 16 der abzweigende Fluss immer stärker wird.
Die dritte Wicklung 21 kann natürlich mit einer gegenüber der Wicklung 20 grossen Anzahl von Windungen versehen werden, so dass in ihr eine merkliche Spannung induziert wird, wogegen Idie in der Wicklung 20 induzierte Spannung ziemlich klein bleibt.
Demgemäss lässt sich ein Regeltransformator herstellen, in welchem Ibei Abwesenheit eines steuernden Gleichstroms keine Kopplung zwischen der Wicklung 19 und Wicklung 21 besteht. Wird jedoch der durch jdie Wicklung 20 fliessende Gleichstrom erhöht, danni ändert sich die Permeabilität der einzelnen Stege und ebenso die Reluktanz der verschiedenen Flusspfade, so dass der Fluss bei Zunahme des Stroms in Ider Wicklung 19 in immer stärkerem Masse abzweigt und in der Wicklung 21 eine immer grössere Spannung induziert wird. Bei sehr grossem Gleichfluss und Wechsellluss kann der grössere Teil des Wechselflusses als abgezweigter Fluss auftreten.
Man kann die Wirkungsweise des Regeltransforma- tors auch anders erklären. Man beachte, dass der in der Wicklung 19 fliessende Strom die Grösse der Induktivi- tät der Wicklung 21 bestimmt. Bei Zunahme des durch die Wicklung 19 fliessenden Stroms nimmt die Induktanz der Wicklung 21 und ebenso die in dieser induzierte Spannung V ab.
Es ist nämlich ds Vq = d
L rtg = N ls
EMI4.1
Wenn die Frequenz der Steuerspannung sehr viel
L dis kleiner ist als die der Primärspannung, Idann wird Ldt vernachlässigbar klein und deshalb V, =li, dL
N dt
Man sieht daraus, dass dann die in der Wicklung 21 induzierte Spannung Vs abhängig ist von der Änderung der Induktivität L, die durch Schwankungen des Primärstroms verursacht wird. Wird der Primärstrom grösser, dann nimmt die Induktivität L der Wicklung 21 ab und die in ihre induzierte Spannung wird grösser. Jedoch trägt die Erscheinung des abgezeigten Flusses offenbar zu einem grossen Teil zur Energieübertragung bei.
Falls gewünscht, kann die Funktionen der Steuerwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 in einer einzigen Wicklung koinbiniert werden, an welche eine Gleich-Vorspannung und eine GleichJSteuerspannung angelegt wird und an welche der Verbraucher angeschlossen wird.
Der Regeltransformator kann in zwei verschiedenen Betriebsweisen betrieben werden; entweder mit Fre quenzverdopplung oder ohne Frequenzverdopplung. In der ersten Betriebsweise wird die Frequenz des Wechselstroms bei der Übertragung vom Primärkreis auf den Sekundärkreis verdoppelt. Wird der Wicklung 20 ein Wechselstrom zugeführt, dann wird in der Sekundärwicklung 21 eine Spannung induziert, welche die doppelte Frequenz hat. Dies kommt daher, dass bei jeder Halbwelle des primären Wechselstroms der diagonale Flusspfad, welchem der abgeneigte Fluss folgt, umspringt.
Jedoch schneidet jeder leder Diagonlalpfade die Sekundärwicklung 21 in der gleichen Richtung, und infolgedessen hat die in der Sekundärwicklung 21 induzierte Spannung ohne Rücksicht auf den Verlauf des abgezweigten Flusses stets dieselbe Richtung. Die Sekundärwicklung 21 erhält also den modifizierten Absolutwert der Primärweile, wie dies ibei einem Vollweggleichrichter der Fall ist. Leitet sich der modifizierte Absolutwert von einer Sinuswelle ab, so entsteht eine Ausgangswelle mit der doppelten Frequenz der Ein gangswelle.
Da die Wechselflusskomponente in den Stegen 13-16 wesentlich für das Entstehen einer günstigen Reiuktanzverteilung ist, hängt der abgezweigte Fluss nicht unmittelbar von der Primärwelle ab. sondern er baut sich langsam auf; die Neigung der Ausgangswelle ist nämlich Null zu dem Zeitpunkt. in welchem die Neigung der Eingangswelle ihr Maximum hat, d. h. beim Durchgang durch Null. Dieselbe Erscheinung bewirkt am Ende einer jeden Halbwelle der Eingangswelle, dass die Ausgangswelle abgerundet wird und die doppelte Frequenz der Eingangswelle hat, allerdings mit einer gewissen Verzerrung.
Die Frequenzverdopplung kann auch durch das Verhalten der Induktivität erklärt werden. Wie bereits ausgeführt, bestimmt der Primärstrom die Grösse der Induktivitätlder Sekundärwicklung. Die Induktivität ist natürlich eine Absolutgrösse; da sich die Induktivität der Sekundärwicklung in jeder Periode des Primärstroms zweimal ändert, hat die Ausgangsspannung die doppelte Frequenz.
Der Regeltransformator kann auch ohne Frequenzverdopplung betrieben werden, wenn man in den Pfaden des Wechselfllusses einen Vor-Gleichfluss solcher Grösse erzeugt, dass die Richtung des aus dem Vor-Gleichfluss und aus dem Wechselfluss resultierenden Flusses sich nie umkehrt; d. h., man. muss die Grösse des Vor Gleichflusses mindestens gleich dem Maximum des Wechselflusses wählen. In diesem Falle hat ein bestimmtes Paar diagonal gegenüberliegender Stege stets die kleinere Reluktanz, und der abgezweigte Fluss verläuft stets längs desselben diagonalen Flusspfades. Die Wellenform des abgezweigten Flusses folgt dann der des Eingangsstroms, da die niedrige Reluktanz der Stege durch den Vor-Gleichfluss 'bestimmt ist.
Wenn also der Wechseifluss anzusteigen beginnt, dann beginnt er auch abzuzweigen.
Der abgezweigte Fluss steigt auf ein Maximum, wenn der eingangsseitige Strom sein Maximum annimmt, und folgt ihm weiter beim Abnehmen. Wenn der Wechselstrom den Wert Null durchläuft, hat wider abge- zweigte Fluss jedoch in derselben Diagonalen noch dieselbe Richtung, und die Ausgangswelle nimmt weiter ab, bis die Eingangswelle wieder zu steigen beginnt. Dies ist anders als bei dem Fall ohne Vor-Gleichfkuss, in welchem die Diagonaibahn umspringt, wenn die Eingangswelle durch Null geht, wobei der abgezweigte Fluss wieder zu steigen anfängt.
Das Verhalten ohne Frequenzverdopplung lässt sich ebenfalls aus der Reluktanztheorie erklären. Wenn der Primärfluss niemals den Wert Null überschreitet, dann besteht nur ein Punkt in jedem Zyklus der Eingangswelle, in welchem die Induktivität der Sekundärwicklung ein Minimum hat, nämlich das Maximum der positiven Halbwelle. Entsprechend existiert nur ein Punkt mit einem Maximum der Induktivität, nämlich edas Extremum der negativen Halbwelle. Da der Steuerstrom niemals sein Vorzeichen ändert, Iwird Ikein Absolutwert genommen, und infdgedessen hat die Ausgangswelle dieselbe Frequenz wie die Eingangswelle.
Der Regeltransformator hat zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Zum Beispiel kann als regelbarer Autotranslformator verwendet werden; dabei bleiben die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators körperlich unverändert. Die gewünschte Wirkung erhält man dann durch Änderung des Kopplungs- grades zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklun g durch andern des Steuerfeldes. Dadurch wird es möglich, die Vorteile bekannter Autotransformatoren mit einer viel einfacheren Anordnung zu erzielen, die mit einfachen elektrischen Mitteln gesteuert werden kann.
Bekanntlich hat ein herkömmlicher Autotransformlator eine Sekundärwicklung, die angezapft sein kann, so dass man mehr oder weniger Windungen einschalten kann.
Während bei dieser Art Ider Regulierung der Wechselspannung die Verluste vermieden werden, die den Spannungsteilerschaltungen innewohnen, isttdabei eine mechanische Einstellung erforderlich. Beim tbeschriebe- nen neuen Autotrausformator kann jedoch die Kopplung elektrisch eingestellt werden, wodurch elektrische Steuermotore nicht mehr benötigt werden.
Die Fig. 4 und 4A demonstrieren die Wirkungsweise der Anordnung bei Betrieb ohne Frequenzverdopplunlg.
Gemäss diesen Figuren ist eine Primär-Vorspannungswicklung 22 durch den Durchbruch 11 hindurch um den unteren Jochteil 18 gewickelt, welche d, ufdient, einen Gleichfluss in jden vom Wechselfluss eingeschlagenen Pfaden zu erzeugen.
Wird der Vor-Gleichfluss, der mit Hilfelder Wicklung 22 entsteht und der durch die in unterbrochenen Linien gezeichneten Pfeile, ldie doppelten Pfeile und die doppelten geschlossenen Bahnen dargestellt ist, so gross gemacht, dass er über dem Maximum des Wechselflusses liegt, dann haben die Stege 14 und 16 immer eine niedrige Reluktanz, und der abgezweiate Fluss folgt stets ,dem Idargestellten Pfad, so dass die in der Sekundärwicklung 21 induzierte Spanr nung dieselbe Frequenz wie die EingamosspannunSg in der Primärwicklung 19 aufweist. wie dies bereits erläutert worden ist.
Es sollen nunmehr die Figuren 5A, 5B, 5C und 5D betrachtet und daran die Grundlagen der Arbeitsweise der beschriebenen Anordnungen erläutert werden.
Wenn kein Steuerstrom in der Wicklung 20 fliesst, dann haben die magnetischen Stege 13, 14, 15 und 16 keine magnetische Vorspannung, und jeder Steg arbeitet auf der zugehörigen Hystereseschleife praktisch im gleichen Arbeitspunkt, da der magnetische Fluss in jedem Steg für alle Werte des Verbraucherstroms in der Wicklung 19 praktisch dieselbe Grösse hat; ,der einzige Unterschied besteht darin, Idass zwei Stege im negativen Teil ihrer Hystereseschleifen betrieben werden, während die andern beiden Stege im positiven Teil ihrer Schleifen arbeiten.
Deshalb ist in dem praktischen Falle, dass der Verbraucherstrom von einer Wechselstromquelle geliefert wird, die Lage der Arbeitspunkte eines jeden Steges praktisch gleich und ergibt für einen vollen Zyklus des Verbraucherstroms eine Form, die der in Fig. 5A dargestellten entspricht. Eine solche Kurve wird normalerweise als normale Arbeitshystereseschleife bezeichnet. In diesem Falle erfährt der Verbraucherstrom über den ganzen Zyklus eine mittlere Induktivität, wdie nahe am Maximum liegt, weil in keinem der Stege eine magnetische Vorspannung Besteht und Idemgemäss die Permeabilität eines jeden Steges ihr Maximum hat oder nahe am Maximum liegt.
Jede dieser Kurven lässt sich experimentell mit Hilfe eines Oszillographen sichtbar darstellen.
Es soll jetzt angenommen werden, Idiass durch die Wicklung 20 ein Gleichstrom geschickt wird, wider in jedem Steg eine magnetische Vorspannung erzeugt.
D;iese Vorspannung wird durch die vertikalen strichlier- ten Linien +H und -H in Fig. 5B bzw. 5C dargestellt. Die zu den additiven Stegen 13 und 15 gehörige Hystereseschleife entspricht der in Fig. 5B dargestellten, während die zu den subtraktiven Stegen 14 und 16 gehörende Hystereseschleife der in Fig. 5C Idargestellten entspricht. Aus diesen Figuren geht hervor, dass jede dieser Hystereseschleifen um die Vorspannung schwingt.
Die zu den Stegen 14 und 15 gehörende resultierende Hystereseschleife, das ist die zu dem Pfad des Wechselflusses gehörende Schleife, entspricht der in Fig. 5D dargestellten. Diese Hystereseschleife setzt sich zusammen aus der linken Seite wider Schleife der Fig. 5B und der rechten Seite Ider Schleife der Fig. 5C, wobei die Höhe der durch den Steuerstrom gegebenen Vorspannung für alle Teile der Schleife als Mittelpunkt wirkt.
Die Form der Kurve in Fig. 5D wird hauptsächlich durch pdenjenigen Steg geprägt, ruder in einem beliebigen Zeitpunkt die höchste Permeabilität hat. Dies ist natürlich nur dann ganz richtig, wenn die Permeabilität eines der Stege im Vergleich zu den anderen sehr hoch ist, wie die für die Verbraucherwicklung eintritt. wenn der Steuerstrom auf einen grossen Wert ansteigt. Wegen der vorzugsweise vorhandenen Symmetrie des Kerns ist während einer Halbperiode des Verbraucherstroms die mittlere Permeabilität des Materials im Steg 14 grösser als im Steg 15 und während der anderen Halbperlode umgekehrt.
Durch diese Symtmetrie in Verbindung mit der Wirkung der Flusspfade in faden Stegen erhält Idie Hystereseschleife der Fig. 5D ihre unterschiedliche charakteristische Form, wobei der Verbraucherstrom während seiner Periode eine mittlere Induktanz erfährt, die kleiner ist als ohne Vorhandensein eines Steuerstroms. Dies ist offensichtlich. da die Hvstereseschleife der Fig. 5D gegenüber der Hystereseschleife Ider Fig. 5A ein wenig im Sinne des Uhrzeigers gedreht ist. Es wird nun im Mittel ein grösseres H für einen bestimmten Wert B benötigt, wenn die Hystereseschleife sich im Sinne des Uhrzeigers dreht.
Wird der Steuerstrom noch weiter erhöht, dann dreht sich die Hystereseschleife immer weiter im Sinne des Uhrzeigers, bis sie praktisch horizontal liegt. Das bedeutet, dass die mittlere Permeabilität des mit der Verbraucherwicklung gekoppelten Materials sehr niedrig ist gegenüber dem Fall, dass kein Steuerstrom vorhanden ist; selbstverständlich hat die variable Induktanz dann im Mittel einen sehr geringen Wert. Dies ist der gesättigte Zustand der Induktanzanordnung, da eine zusätzliche Erhöhung des Steuerstroms nur eine relativ kleine Änderung der mittleren Induktanz, welche der Verbraucherstrom während seiner Periode erfährt, be- wirkt.
Bei diesem Wert indes Steuerstroms ist natürlich die Grösse des abgezweigten Flusses sehr gross und dexge- mäss die Isolation zwischen Verbraucherwicklung und Steuerwicklung in der Anordnung nicht so gut wie im Falle eines geringeren Steuerstroms. Natürlich ist die Anordnung in diesem Gebiet höchst wirksam als Regeltransformator.
Fig. 6 zeigt in Igraphischer Darstellung die Abhängig- keit der Induktivität der Verbraucherwicklung vom Steuerstrom. Aus dieser Figur und aus den vorangehenden Erörterungen geht hervor, dass die Richtung des Steuerstroms keine Bedeutung für die Steuerung der Anordnung hat.
In Fig. 7, 8 und 9 sind andersartig geformte Kerne dargestellt, die sowohl für eine regelbare Drossel als auch für einen Regeltransformator verwendbar sind. Die Darstellung bezieht sich speziell auf regelbare Drosseln; es ist jedoch klar, dass man eine Sekundärwicklung hinzufügen kann und bei entsprechendem Betrieb, wie dies im vorangehenden ausgeführt ist, einen Regeltransformator erhalten kann.
Gemäss Fig. 7 sind zwei U4örmige Kernteile 25 und 26, um 90" gegeneinander gedreht, mit ihren offenen Enden aneinandergefügt. Die Enden der Kernteile 25 und 26 sind vorzugsweise fein geläppt, so dass ein möglichst vollkommener Zusammenschluss unter Vermeidung von Luftspalten entsteht. Eine erste Wicklung 27 ist auf dem Kernteil 25 und eine zweite Wicklung auf dem Kernteil 26 vorgesehen. Die Kernzonen, durch welche die Flüsse verlaufen, die vermittels der Spulen 27 und 28 erzeugt werden, sind mit 29, 30 und 31 bezeichnet. Die vierte Kernzone befindet sich an der vierten, verdeckten Verbindungsstelle der Kernteile 25 und 26. In diesem Falle können keine Stege als Bauteile definiert werden, jedoch sind solche nach ihrer Arbeitsweise vorhanden. Die Wicklungen sind mit rechtwinklig sich kreuzenden Achsen dargestellt.
Dies ist eine vorzugsweise, jedoch nicht notwendige Anordnung, da die erforderlichen Flusspfade selbst dann entstehen, wenn die Achsen nicht rechtwinklig zueinander verlaufen. Wenn die Wicklungen nicht rechtwinklig zueinander angeordnet sind, ist jedoch die Kopplung zwischen ihnen stärker, das heisst, die Entikopplung einer jeden Wicklung von der andern hlat nicht den grösstmöglichen versehen worden sind. Die freien Enden der Kernteile hergestellt sind, indem diese mit Ausuehmungen 32 Wert.
Der Kern gemäss Fig. 8 entspricht in seiner äusseren Form weitgehend den in den Fig. 1-4 dargestellten Kernen; er besteht aus U-förmigen Kernteilen 33 und 34, die aus Kernteilen 25 und 26 gemäss Fig. 7 hergestellt sind, indem diese mit Ausnehmungen 32 versehen worden sind. Die freien Enden der Kernteile 33 und 34 sind geläppt und aneinandergefügt, so dass ein Gebilde mit vier Kernzonen bildenden Stegen 35, 36, 37 und 38 entsteht, die an einem Ende durch ein plattenförmiges Jochteil 3 bzw. 4 überbrückt sind. Auf den Kernteil 33 ist eine Wicklung 39 und auf den Kernteil 34 eine Wicklung 40 gewickelt, deren Achsen vorzugsweise, aber nicht notwendig, rechtwinklig zueinander verlaufen.
Fig. 9 zeigt einen rohrförmigen ferromagnetischen Kern 41 mit einer axialen Bohrung 42 und einem Paar diametraler Längsschlitze 43 und 44. Durch die axiale Bohrung 42 ist eine erste Wicklung 45 -und durch die Schlitze 43 und 44 ist eine zweite Wicklung 46 gewikkelt. Die durch diese beiden Wicklungen erzeugten Flüsse verlaufen durch Kernzonen 47 und 48 auf der Vorderseite und durch entsprechende Kernzonen auf der diametral entgegengesetzten Seite des Kerns. Die Jochteile 5 und 6 sind annähernd halbzylindrisch.
In Fig. 10 ist die Grundform eines Kerns zur Verwendung für einen Regeltransformator schematisch dargestellt. Der Kern 50 besteht aus einem Block aus ferromagnetischem Material, in welchem sich zwei sich kreuzende Bohrungen 51 und 52 als Durchbrüche befinden. Zwischen diesen soll sich möglichst wenig ferromagnetisches Material befinden, und vorzugsweise schneiden sich die Bohrungen teilweise. Ist für das verwendete ferromagnetische Material der gegenseitige Abstand der Bohrungen zu gross, dann stehen den im Kern auftretenden Flüssen Flusspfade niedrigerer Reluktanz zur Verfügung, die ausserhalb der Kernzonen verlaufen, die zum richtigen Funktionieren notwendig sind. Die Bohrungen sollten deshalb so angeordnet sein, dass praktisch der gesamte magnetische Fluss durch diese Kernzonen verlaufen muss.
Durch die Bohrung 51 ist eine Primärwicklung 53 und durch Idie Bohrung 52 ist eine Sekundärwicklung 54 geführt; die Achsen dieser Wicklungen bilden vorzugsweise einen rechten Winkel, und zwar aus den bereits erwähnten Gründen. Durch die Bohrung 52 ist ferner eine Steuerwicklung 55, auch Zwischenwicklung genannt, geführt, deren Achse parallel zur Achse der Sekundärwicklung 54 verläuft. Wenn gewünscht, kann durch die Bohrung 51 zusätzlich eine Vorspannungswicklung 56 geführt werden, deren Achse parallel zur Achse der Primärwicklung 53 ist.
Die Vorspannungswicklung 56 könnte durch einen permanenten Magneten ersetzt werden; sie dient vorzugsweise zur Schaffung einer unabhängigen Steuerung des Primärfeldes. Man könnte die Vorspannungswicklung auch dadurch ersetzen, dlass man eine Vorspannung direkt an die Primärwicklung anlegt. Besteht keine Primär-Vorspannung oder ist diese nicht gross genug, um zu verhindern, dass die Primärspannung negativ wird, dann arbeitet der Transformator mit Frequenzverdopplung. Wenn die Primär Vorspannungs- wicklung einen so grossen Strom führt, dass der Primärfluss unter der Wirkung eines an die Primärwicklung 52 gelegten Wechselstroms stets seine Richtung behält, dann arbeitet der Transformator ohne Frequenzverdoppelung.
Die Gründe hierfür sind bereits auseinandergesetzt worden.
Gemäss dem Schaltbild der Fig. 11 ist eine regelbare Drossel 60 zum Steuern des einem Verbraucher zugeleiteten Stroms vorgesehen. Ein Kern mit Wicklungen ist in dieser Figur und in den folgenden durch das T-förmige Symbol angegeben. Die regelbare Drossel 60 ist mit ihrer Verbraucherwicklung 61 in Serie mit einer Wech selstromquelle 62 und einem Verbraucher 63 geschaltet.
Eine auf dem Kern befindliche Steuerwicklung 64 ist an einen Regeiwiderstand 65 angeschlossen, welcher mit den Ausgangsklemmen einer Gleichstromquelle 66 verhunden ist. Durch Andern der Einstellung des Regelwiderstandes kann der durch die Wicklung 64 fliessende Gleichstrom geändert werden, wodurch sich eine Steuerung der Induktivität wider Wicklung 61 und damit des durch den Verbraucher 63 fliessenden Stroms ergibt.
Natürlich ist oder Regelwiderstand nur als eine der vielen Möglichkeiten, wie der Steuer-Gleichstrom geregelt werden kann, angegeben.
Fig. 12 zeigt einen LC-Kreis, der durch eine regelbare Drossel auf verschiedene Frequenzen abgestimmt werden kann. Gemäss dieser Figur ist über die Verbraucherwicldung 71 der regelbaren Drossel 70 ein Kondensator geschaltet, so dass ein Parallelresonanzkreis entsteht, der mittels Ider Klemmen 73 und 74 in einen beliebigen andern elektrischen Kreis eingeschaltet werden kann.
Die Steuerwicklunlg 75 wider Drossel 70 ist an den Regeiwiderstand 76 angeschlossen, welcher seinerseits an die Gleichstromquelle 77 angeschaltet ist. Wie bereits ausgeführt, hat eine Änderung des durch die Steuerwicklung 75 fliessenden Gleichstroms die Wirkung, ,dass die Induktivität der Wicklung 71 und infolgedessen auch die Frequenz geändert wird, auf welche der die Wicklung 71 enthaltende Resonanzkreis abgestimmt ist. Eine solche Schaltung kann zum Beispiel beim Abstimmen von Radiogeräten sehr nützlich sein, wobei dann nicht wie üblich die Kapazität, sondern die Induktivität des Resonanzkreises geändert wird.
Da man den Kern der Drossel 70 sehr klein machen kann, lässt sich Dadurch die Grösse des Radiogerätes gegenüber den konventionellen Geräten, in denen relativ grosse Abstimlmkonden- satoren verwendet werden, herabsetzen. Zusätzlich kann man bei Verwendung des beschriebenen LCaKreises eine Fernsteuerung bewirken, da die Abstimmung auf elektrischem Wege und nicht durch eine mechanische Steuervorrichtung erfolgt.
Fig. 13 zeigt eine zum Modulieren einer Trägerfrequenz bestimmte Schaltungsanordnung. Hierbei ist die Verbraucherwicklung 80 der regelbaren Drossel 81 zwischen Sden Ausgang eines Leistungsverstärkers 82 und einen Verbraucher 83 geschaltet. Der Eingang des Leistungsverstärkers 82 ist an einen Trägerfrequenzoszillator 84 angeschlossen. Die Steuerwicklung 85 der Drossel 81 ist mit dem Ausgang eines Modulationsver stärkers 86 verbunden, dessen Eingang an die Quelle 87 des Modulationssignals angeschlossen ist.
Solange die Frequenz der Quelle 87 relativ niedrig gegenüber der des Oszillators 84 ist, dient der im Kern durch die Steuerwicklung 85 erzeugte Fluss demselben Zweck wie der durch einen Gleichstrom erzeugte Gleichfluss, nämlich zum Ändern der Impedanz der Verbraucherwicklung 80 derart, dass die Amplitude der Verbraucherspannung entsprechend dem von der Signalquelle 87 abgegebenen Ausgangssignal moduliert wird.
In Fig. 14 ist ein Verstärker mit einer regelbaren Drossel 91 dargestellt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Verbraucherwicklung 90 der regelbaren Drossel 91 in Reihe mit einer C}leichstromquelle 92 und einem Widerstand 93 geschaltet, wobei das Ausgangssignal des Verstärkers über dem Widerstand 93 abgenommen wird.
Die Steuerwicklung 94 der regelbaren Drossel 91 ist an eine nicht dargestellte Signalquelle angeschlossen, deren Sigrrale verstärkt werden sollen. Die Änderungen der Wechselflusskomponente im Kern der Drossel 91, die von den Fluktuationen des die Wicklung 94 durchfliessenden Stroms herrühren, +bewil?ken eine entsprechende linderung der Induktivität der Wicklung 90 mit dem Effekt, dass in der Wicklung 90 eine Wechselspannung induziert und die über dem Widerstand 93 erscheinende Spannung gegenüber der Eingangsspannung an der Wicklung 94 verstärkt wird.
Obgleich die Rollen des Gleichstroms und des Wechselstroms in dieser Schaltung vertauscht sind, bleibt das der Arbeitsweise zugrunde liegende Prinzip dasselbe: die Permeabilität und die Reluktanz in den einzelnen Stegen des Kerns werden durch einen Wechselfluss zu Änderungen veranlasst.
Anstatt nun die sich ändernde Permeabilität und Reluktanz dazu auszunutzen, die mittlere Induktivität der Wechselstrom'wicklung zu ändern, werden sie im vorliegenden Falle !dazu verwertet, den mit der Gleichstrom- wicklung verbundenen Fluss zu beeinflussen und dadurch in dieser eine Spannung zu induzieren. Diese Schaltung macht also von der Änderung der Induktivität im Verbraucherkreis !Gebrauch, um in der Ausgangs wicklung einen Wechselstrom zu erzeugen.
In den Fig. 15A, 15B und 15C sind schematisch verschiedene mit Wicklungen versehene Kerne dargestellt, in welchen die Achsen der Wicklungen sich nicht kreuzen. Da die gegenseitige Anordnung der einzelnen Schenkel oder gemeinsamen Gebiete aus diesen Figuren klar hervorgeht, soll sie hier nicht weiter beschrieben werden. Natürlich können die Wicklungen auch auf den andern dargeistellten Kernen in entsprechender Weise angeordnet werden. Wenn in den Ansprüchen der von einer Wicklung umschlossene magnetische Kreis als ungesättigt bezeichnet wird, so soll das nicht heissen, dass alle Teile des Kerns ungesättigt bleiben. Entspre- chend gilt dies für den Ausdruck mittlere Induktanz bzw. mittlere Induktivität .
PATENTANSPRUCH I
Elektromagnetische Anordnung zur Steuerung einer elektrischen Leistung, mit einem Kern laus ferromagneti- schem Material, einer ersten aufladen Kern gewickelten Wicklung (20, 28, 40, 46, 55, 64, 75, 85, 94) und einer zweiten auf den Kern gewickelten Wicklung (19, 27, 39, 45, 53, 61, 71, 80, 90), die von der ersten Wicklung magnetisch entkoppelt ist, von welchen Wicklungen eine zur Steuerung der Leistung in der anderen mittels Beeinflussung der Reluktanz von beiden Wicklungen zugeordneten Kernzonen dient, dadurch gekennzeichnet, dass ,der Kern so ausgebildet ist und die WicklunSgen so auf dem Kern angeordnet sind,
dass die durch gleichzeitige Ströme in den Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse in gewissen Kernzonen sich additiv und in anderen Kernzonen sich subtraktiv überlagern
UNTERANSPRÜCHE
1. Anordnung nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern vier Stege (13-16), welche vier Kernzonen repräsentieren, und zwei die Enden der Stege magnetisch überbrückende Jochteile (17. 18) aufweist (Fig. 1 1).
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