<B>Durch ein Feld</B> beeinflu & tes <B>Widerstandsgebilde.</B> Gegenstand der Erfindung ist ein Wider standsgebilde, das unter dem Einfluss eines Feldes steht. Dieses Feld kann ein elektrisches oder ein magnetisches sein.
Nach der Erfindung ist in einem vom Felde durchsetzten, abgeschlossenen Raum zwischen zwei Belegungen eine Vielzahl beweglicher Teile untergebracht, deren Lage und Anpress- druck durch das Feld so beeinflusst werden, dass der durch die Teile zwischen den Be legungen gebildete Widerstand einen vom Felde abhängigen Wert annimmt.
Widerstände, bei denen zwischen Belegun gen eine Vielzahl beweglicher Teile angeord net ist, sind beispielsweise in Form eines Kör nermikrophons oder eines Fritters (Kohärers) bereits bekannt. Bei dem Kohlemikrophon handelt es sich hierbei darum, mechanische Bewegungen (Schallschwingungen) in ent- sprechende Widerstands- und dadurch Strom änderungen umzusetzen.
Hierbei ist die Wi- derstandsänderung nicht von Grösse oder Änderungsgeschwindigkeit eines elektromagne tischen Feldes abhängig.
Beim Fritter wird zwar die Widerstands änderung durch auftreffende elektromagne tische Wellen erwirkt; sie ist jedoch nicht mit einer Lageänderung der einzelnen Körner verbunden, sondern es treten zwischen den an sich ruhenden Teilchen im allgemeinen mikro skopisch kleine Fünkchen auf, die ein Zusam- menfritten, d. h. eine Art Verschweissung die ser Körner bewirken, wodurch ein sehr hoher Widerstandswert auf einen geringen Wert ge- bracht wird. Hierbei fehlt auch eine wert mässige Abhängigkeit zwischen Feldänderung und Widerstandsänderung.
Weiterhin ist es für den Fritter kennzeichnend, da.ss er aus dem gefritteten Zustand durch abnehmende elektrische Feldintensität nicht herausgebracht werden kann, sondern es ist im allgemeinen ein Aufbrechen der Schweiss-(Fritt-)stellen durch mechanische Einflüsse notwendig. Es unterscheidet sich deshalb der Vorgang bei einem Fritter grundsätzlich von den Wider standsänderungen nach der Erfindung, jedoch können als zusätzliche Ergänzungen auch die Erscheinungen eines Fritters bei der Erfin dung ausgenützt werden.
Für die Zwecke der Erfindung kann ein elektrisches Feld insbesondere zur Änderung dielektrischer Widerstände ausgenützt wer den. Hauptsächlich eignet sich ein magneti sches Feld für ein Herbeiführen der erforder lichen Lage- oder Formänderungen der Teil chen, die den Widerstand zwischen den Bele gungen bestimmen. Es können auch Anord nungen getroffen werden, bei denen sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld gleichzeitig ausgenützt werden. Als Teilchen können im allgemeinen Körner verschieden ster Art, insbesondere auch in Stäbchenform Anwendung finden. Für besondere Zwecke können auch kugelförmige Teilchen verwendet werden.
Die beweglichen Teilchen können bei An wendung elektrischer Felder aus Isolierteil- chen bestehen mit einer im allgemeinen vom umgebenden Medium verschiedenen Dielektri- zitätskonstante. Es können jedoch auch lei tende Flüssigkeitsteilchen (z. B. Tropfen) zur Anwendung kommen, die sich unter dem Ein fluss elektrischer Felder in ihrer Form ver ändern.
Bei der Anwendung magnetischer Felder werden die Teilchen vorzugsweise aus ferro- magnetischem Material gebildet. Sie können entweder aus magnetisch weichem oder magne tisch hartem Material bestehen, wobei letzteres mehr oder weniger starken permanenten Ma gnetismus aufweisen kann, wie z. B. Örstit. Ge gebenenfalls können auch Teilchen aus magne tisch weichem und magnetisch hartem Mate rial, insbesondere polarisiertem Material, neben einander oder kombiniert verwendet werden.
Hierbei kann es im Hinblick auf die Art des gewünschten Widerstandes zweckmässig sein, die Teilchen mit einer Oberfläche aus anderem Material zu überziehen, wobei die Oberflä chenbelegung entsprechend dem gewünschten Zwecke entweder aus gutleitendem Material, z. B. Silber, oder schlecht leitendem, z. B. Wolfram oder irgendwelchen Karbiden oder einem Kohleüberzug bestehen kann.
Unter Umständen kann es zweckmässig sein, ein gut leitendes Stäbchen mit magnetischem Material zum Teil konzentrisch zu -umhüllen. Zur Er zeugung veränderlicher dielektrischer Wider stände kann es zweckmässig sein, die Teilchen mit einem isolierenden Überzug, insbesondere aus Stoffen mit hoher Dielektrizitätskon- stante, vorzugsweise > 50 z. B. Rutil, hoher Durchschlagsfestigkeit (> 20 kV/mm) und kleinem Verlustwinkel (tgö > 0,01 bei 50 Hz) zu versehen.
Die Lageveränderung der Teilchen erfolgt im allgemeinen dadurch, dass mit dem Anlegen eines Feldes eine elektrische oder magnetische Polarisation der Teilchen zustandekommt und sich dann die Teilchen entsprechend den zwi schen ihnen wirkenden Kräften ordnen. Be kanntlich wird dieser Effekt ausgenützt, um elektrische oder magnetische Felder experi mentell zu veranschaulichen. Die Kräfte zwi schen den einzelnen Teilchen sind im allge meinen iun so grösser, je grösser das erregende Feld ist. Dies hat z.
B. bei Ohmscher Leit fähigkeit der entstehenden Brücke zur Folge, dass mit zunehmendem erregenden Feld der Ohmsche Widerstand der Brücke entsprechend abnimmt, da der Kontaktdruck sich erhöht.
Im allgemeinen wird der Ohmsche Wider stand der Brücken um so grösser sein, je grösser die Zahl der in Reihe geschalteten Teilchen einer Brücke und je kleiner die Zahl der par allel geschalteten Brücken ist. Man kann da her durch Wahl von Brückenlänge (Abstand der Belegungen), Teilchengrösse und Teilchen menge den Widerstandsbereich in weiten Grenzen verändern. Im allgemeinen wird mit zunehmendem Feld die Zahl der parallelen Brücken grösser werden, insbesondere wenn eine verhältnismässig grosse Teilchenzahl und eine verschiedene Körnung zur Anwendung gelangen.
Ein Sonderfall liegt vor, wenn die Teil chen bereits vor Anlegen des Feldes polarisiert sind, z. B. wenn sie aus kleinen Permanent- magnetchen bestehen; dann werden sie durch das angelegte Feld lediglich in Richtung der Feldlinien orientiert. Die Vormagnetisierung der Teilchen kann auch durch ein zusätzliches Gleich- oder Wechselstromfeld herbeigeführt werden.
Bei abnehmendem Feld wird im allgemeinen, insbesondere bei gleichmässiger Form der Teil chen, der Druck zwischen den einzelnen Teil chen und den Belegungen verringert, so dass z. B. bei einem elektrisch leitenden Widerstand der Kontaktdruck ab- und damit der Kontakt widerstand entsprechend zunimmt. Hierbei lassen sich leicht Änderungen des wirksamen Widerstandswertes bis zu zwei Grössenordnun gen, im Bedarfsfall auch noch in grösserem Umfang erreichen. Bei einem bestimmten Mi nimalfeld werden im allgemeinen die Brücken zusammenfallen, wodurch dann der Wider stand gegen unendlich geht. Hierbei wirkt im wesentlichen die Schwerkraft als Rückführ- kraft.
Bei polarisierten Teilchen liegen die Ver hältnisse so, dass - solange das erzeugende Feld in einer Richtung wirkt - die Teilchen sich dementsprechend einstellen. Dreht mim das erzeugende Feld seine Richtung um, z. B. kurz nach dem Stromnulldurchgang, so liegen die Teilchen um 180 verkehrt gegenüber dem erzeugenden Feld und haben nun neben der Schwerkraft. noch ein magnetisches Moment, das sie zu drehen versucht. Hierdurch kann ein schnelles Zusammenbrechen der Brücken herbeigeführt werden.
Bei polarisierten Teil chen kann der Zusammenbruch durch ein ent gegenwirkendes remanentes Feld oder durch eine Gegenerregung mit Gleich- oder Wechsel strom, wobei letzterer im allgemeinen phasen verschoben sein muss, beschleunigt werden.
Neben diesen Rückführkräften können Fe derkräfte zur Anwendung gelangen, insbe sondere wenn die Teilchen selbst als kleine Fe dern ausgebildet sind. Besonders günstig sind Federn, die Reifenform haben und durch das Feld elliptisch verformt werden. Es können aber auch Blattfedern, Spiral- oder Schrauben federn zur Anwendung gelangen. Bei Ver wendung von Flüssigkeitstropfen wirken die Oberflächenspannungen in ähnlichem Sinne. Sehr grosse Rückführkräfte können erzeugt werden, wenn man die Zentrifugalkraft aus nützt derart, dass sie der Kraft des erregten Feldes entgegengerichtet ist.
Manchmal kann es zweckmässig sein, Stosskräfte auszunützen, indem die Anordnung Stössen und Vibratio- nen, insbesondere auch durch Ultraschallsen der, ausgesetzt wird. Es kann von Bedeutung sein, die Rückführkräfte nur während be stimmter Zeiten wirksam werden zu lassen, z. B. in der Nähe des Stromnulldurchganges oder des Nulldurchganges des erzeugten Feldes.
Im allgemeinen wird es, um die Konstanz der Anordnung zu gewährleisten, zweckmässig sein, die Teilchen in einem allseitig geschlosse nen Raum, z. B. in einer aus Belegungen und dem zweckmässig ringförmigen isolierenden Ab standshalter gebildeten Dose unterzubringen. Der Raum kann entweder mit Luft oder einem andern beliebigen Gas unter beliebigem, ins besondere auch erhöhtem Druck gefüllt sein. Man kann den Raum auch unter Hochvakuum setzen, oder ihn mit einer isolierenden oder mehr oder weniger leitenden Flüssigkeit fül- len. Gas unter hohem Druck, Hochvakuum und Füllung mit Gas und vor allem mit Flüs sigkeiten hoher Durchschlagsfestigkeit wird man anwenden, wenn mit hoher Spannungs beanspruchung im unterbrochenen Zustand zu rechnen ist.
Flüssigkeit, insbesondere mit. einer relativ hohen Viskosität, d. h. einer Viskosität z. B. eines dickeren öls, vorzugsweise minde stens 200 Centistoke bei 20 C, bewirkt im all gemeinen eine Verzögerung im Auf- und Ab bau der Brücken, wodurch vorbestimmte Zeit verzögerungen erreicht werden können.
Die Form, Grösse und Zahl der Teilchen können je nach dem beabsichtigten Zweck mannigfach variiert werden; insbesondere ist es auch möglich, Teilchen verschiedener Form und Korngrösse nebeneinander zu verwenden, wodurch die Charakteristik beeinflusst werden kann.
Neben Teilchen, die vornehmlich unter dem Einfluss des erzeugenden Feldes polarisiert werden, können auch noch Teilchen in Form von kleinen Spulen Anwendung finden, die entweder durch induzierte Ströme bei der Än derung des erzeugenden Feldes polarisiert werden oder die, ähnlich wie die Rähmchen eines Drehspulinstrumentes, durch einen von aussen aufgedrückten Strom zusätzlich erregt werden. Man wird die Anordnung dann so treffen, dass die Spulenkasten dieser Teilchen leitend sind und dadurch eine Verbindung zwischen den Belegungen entweder schliessen oder öffnen.
Für die Abschaltung von Strömen, die vor her durch die Brücken geflossen sind, kann es von Bedeutung sein, die Unterbreehungs- stronistärke unter die Minimalstromstärke von etwa 0,1 bis 1 A je Brücke zu senken. Damit nicht die letzte bestehende Brücke den gesam ten Strom abzuschalten hat, ist es zweckmässig, den einzelnen Brückenpfaden in geeigneter Weise eine ausreichend grosse Induktivität zu zuordnen; dann kann eine Abschalt=ung mit parallel brennenden Entladungen an jeder einzelnen Brücke herbeigeführt werden.
Im allgemeinen wird die Eigeninduktivität ferro- magnetischer Brücken bereits ausreichend sein, um diesen Effekt herbeizuführen. Unter Umständen ist es zweckmässig, die Belegungen netzartig aufzuteilen und den einzelnen Netz sektoren zusätzliche kleine Induktivitäten vor zuschalten.
Hierbei kann es von Vorteil sein, den Raum zwischen den Belegungen waben- artig zu gestalten derart, dass pro Wabe im allgemeinen nur eine Brücke entsteht. Diese hat auch den Vorteil, dass bei Lageänderungen des gesamten Systems sich nicht alle Teilchen an einer Stelle anhäufen.
Um kurze Schaltzeiten - z. B. in der Grössenordnung von 10-2 bis 10-4 Sekunden und kleiner - zu erreichen, ist es zweckmässig, die Teilchen so klein wie möglich, insbesondere kleiner als. 0,1 mm grösster Abmessung (bis zu kolloidaler Grösse) zu wählen. Unter Umstän den kann es von Vorteil sein, den Abstand der Belegungen (oder Pole) etwas kleiner als die Länge der vorzugsweise stäbchenförmigen Teilchen zu bemessen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungs- formen des Erfindungsgegenstandes - darge stellt.
In Fig. 1 ist ein Gerät dargestellt, bei dem der Hauptstrom I über den Widerstand zwischen zwei Belegungen 1 und 2 fliesst. Die beiden Belegungen sind durch einen Isolier- ring 3 in einem geringen Abstand vonein ander gehalten. Die von diesen Teilen gebil dete Dose ist mit magnetisierbaren Teilchen 4 teilweise gefüllt. Das Feld wird mit Hilfe einer Erregerwicklung 5 erzeugt, die von einem Erregerstrom i gespeist ist.
Normaler weise liegen die Teilchen auf der untern Be legung 2, so dass keine leitende Verbindung zwischen den beiden Belegungen besteht, der Widerstand also praktisch unendlich ist. Wird die Spule 5 eingeschaltet, so entstehen zwischen den Belegungen entsprechend dem magnetischen Kraftfeld linienförmige Ge bilde aus den ferromagnetischen Teilchen, die leitende Brücken zwischen den Belegungen 1 und 2 bilden. Damit ist der greis des Hauptstromes I über einen der jeweiligen Erregung i entsprechenden Widerstand ge schlossen.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung für die Steuerung durch ein elektrisches Feld aufgezeichnet. Die beiden Belegungen 1 und 2 sind wieder durch einen Isolierring 3 in geeignetem Abstand voneinander gehalten und liegen über einen Widerstand 6 an der Spannung u eines kleinen Hilfstransformators 7.
Die Dose 8 ist mit Flüssigkeitströpfchen 4a gefüllt, die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes in Feldrichtung verlängern und damit eine Überbrüekung der Belege 1 und 2 her beiführen. Um ein Ablösen beim Ausschalten des elektrischen Feldes zu erleichtern, können nichtbenetzende Flüssigkeiten bzw. entspre chende Oberflächen der Belegungen gewählt werden.
In Fig. 3 ist die Anwendung des Erfin- dungsgedankens auf einen Regler dargestellt. In einem isolierenden Rohrkörpern 9 ist eine Füllung aus körnigem Material 4 angeordnet, die im allgemeinen in dauernder Verbindung mit den beiden Belegungen 1 und 2 steht. Das hier benützte magnetische Feld wird hierbei mit Hilfe einer Erregerwicklung 5 erzeugt, die den Rohrkörper 9 umschliesst.
Bei dieser Anordnung wird der Anpressdruck zwischen den einzelnen Teilchen mit zuneh mendem Feld grösser, wodurch eine entspre chende Verringerung des Widerstandes ein tritt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4, die ebenfalls zu Regelzwecken dienen kann, wird die Erregung durch den Hauptstrom I bewirkt. Zur Einschaltung (Zündung) ist ein Schalter 10 vorgesehen, mit dessen Hilfe die beiden Beleggen 1 und 2 über einen Wider stand 11. (vorübergehend) verbunden werden können. Dadurch wird zunächst ein dem Wi derstand 11 entsprechender geringer Strom fliessen, der in den Wicklungen 5 ein Magnet feld erzeugt. Es entstehen eine oder wenige Brücken; diese führen sofort den Hauptstrom, wodurch eine Verstärkung des Magnetfeldes entsteht.
Dies hat zur Folge, dass nun ent sprechend der Feldstärke eine grosse Zahl von Brücken gebildet wird. Der übergangs- widerstand ist um so kleiner, je grösser der Strom in der Hauptstromwicklung ist. Dies ist in vielen Fällen von grossem Vorteil, da die Ohmschen Verluste bei grossem Strom dem- entsprechend kleiner werden. Die Abschal tung erfolgt durch Unterbruch im Stromkreis des Hauptstromes I.
Eine Anordnung nach Fig. 4 wird also im allgemeinen bei kleinem Strom einen hohen, bei grossem Strom einen kleinen Widerstand aufweisen. le nach Wahl und Form der Teil chen kann der Spannungsabfall konstant, d. h. unabhängig von der Grösse des Stromes, leicht steigend oder auch, ähnlich wie bei einem elektrischen Lichtbogen, fallend sein. Steigend ist er dann, wenn, wie in Fig. 5 dargestellt ist, neben der Hauptstromwick- lung 5 noch eine Hilfswicklung 12 verwendet wird, die einen gewissen konstanten Mindest wert des Widerstandes gewährleistet.
Wenn die Hilfswieklung 12 der Hauptwicklung 5 im wesentlichen entgegenwirkt, dann kann erreicht werden, dass mit zunehmendem Hauptstrom I auch der Widerstand zunimmt.. Durch Speisung der Hilfswicklung 12 mit Wechselstrom z. B. anderer Phasenlage, Fre quenz, Kurvenform usw. können manigfache Wirkungen herbeigeführt werden.
In den 6 bis 9 sind einige von der Kornform abweichende Ausführungen der Teilchen schematisch dargestellt. In Fig. 6 bestehen die Teilchen aus kleinen elastischen Ringen 13, die durch das elektrische oder magnetische Feld ellipsenförmig deformiert werden, so dass der Abstand zwischen Ringen und oberer Belegung verringert bzw. gleich Null gemacht wird.
Fig. 7 zeigt stäbchenförmige Teilchen 14, die beispielsweise in Schräglage zur Achse des Feldes durch eine Gummimembran 15 festgehalten werden. Sie drehen sich bei Er regung des Feldes in seine Richtung und be wirken dabei eine Kontaktgabe, wobei der Kontaktdruck auch hier mit der Feldstärke zunimmt.
In Fig. 8 sind die Teilchen als Blattfedern 16, z. B. aus ferromagnetisehein Material ausgeführt. Bei Erregung des Feldes biegen sich diese Federn in Richtung der Achse und berühren die obere Belegung 1.
Schliesslich zeigt Fig. 9 noch eine Anord nung, bei welcher leitende, geschlossene Ringe 18 verwendet werden, die von einem elasti schen Faden 19 gehalten werden. Bei Ände rung des erregenden Feldes entstehen In duktionsströme, die zusammen mit dem Feld Drehmomente ergeben, wodurch eine Lage veränderung der leitenden Ringe bewirkt wird.
Fig. 10 zeigt eine Anordnung mit im we sentlichen eisengeschlossenem magnetischem Kreis. Die Belegungen der Dose sind hier durch die Polschuhe 20 und 21 gebildet, die mit Hilfe von Isolierscheiben 22 vom Magnet kreis 23 isoliert sind. Durch Verwendung lamellierter, voneinander isolierter Polschuhe als Belegung wird erreicht, dass bei schneller Änderung des erzeugenden Feldes keine Ab schirmung desselben durch -\V irbelstrombil- dung hervorgerufen wird. Der Hauptstrom I wird jedem einzelnen Blech der Polschuhe zugeführt bzw. von ihm abgenommen. Die Stirnseite der Bleche wird zur Erreichung kleiner Kontaktwiderstände zweckmässig ver silbert.
Um eine Vorpolarisation oder Gegenwir kung zu erzielen, kann in den magnetischen Kreis ein permanenter Magnet 24 eingefügt werden. Eine ähnliche Wirkung lässt sieh auch mit einer Hilfswicklung 25 erzielen.. Die Anordnung nach Fig. 10 kann als Relais, Schütz oder dergleichen verwendet werden. Wird die Dose mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt, so entsteht ein Relais oder Schütz mit. Zeitverzögerung. Man kann bei dieser Anordnung auch ein temperaturabhängiges Relais erhalten, wenn man den Umstand aus nützt, dass die ferromagnetischen Teilchen. bei einer ganz bestimmten Temperatur (Er reichung des sogenannten Curie-Punktes) unmagnetisch werden.
Hierbei kann durch Wahl geeigneter Legierungen (Nickeleisen, Permalloy, insbesondere Kobaltzusatz) der Curie-Punkt auf die jeweils gewünschten Temperaturwerte gelegt werden. Der Vor teil der Anordnung nach Fig. 10 besteht darin, dass das Schaltelement allseitig ge- kapselt ist., geräuschlos arbeitet und keiner Wartung bedarf, da bewegliche Teile in dem üblichen Sinne nicht vorhanden sind. Fig. 11 zeigt die Anwendung des Erfin dungsgedankens insbesondere für Hochspan nung.
Die Teile sind als kleine Blattfedern gemäss Fig. 8 ausgebildet. Betrachtet man die Federn von oben, so erhält man das Bild eines Plättchenbodens, wobei jedes Plättehen v errundete Kanten aufweist. Die Dose selbst wird zweckmässig mit einem hochdurchschlags- festen Gas oder flüssigen Meditun gefüllt oder unter Hochvakuum gesetzt. Der Abstand zwischen Blattfedern und oberer Belegung kann im ausgeschalteten Zustand je nach den Erfordernissen sehr klein (wenige ,u) ge wählt werden.
Er kann aber auch bis zu meh reren Millimetern betragen. Durch Anordnung grosser Kriechwege in Form von Rippen 26 auf der Aussenseite wird ein Überschlag zwi schen den Belegungen verhindert.
In Fig. 12 ist eine Anordnung schematisch dargestellt, bei der ein radiales Feld zwischen zwei konzentrischen Zylindern 27 und 28 zur Anwendung gelangt. Zur Erhöhung der Rückführkraft können Kern 27 und Man tel 28 rotieren. Hierdurch kann eine gegen über der Schwerkraft um mehrere Grössen ordnungen höhere Rückführkraft erzielt werden, indem die Teilchen 4 durch die Flieh kraft an die Innenwand 28a des Zylinder mantels 28 geschleudert werden, wenn das Feld zwischen dem Kern 27 und dem Mantel 28 verschwindet.
Fig. 13 zeigt die Anwendung des Erfin- dimgsgedankens für die Konstruktion eines ruhenden Kommutators. Die Segmente 29 sind mit der ruhenden Wicklung verbunden. In dem ebenfalls ruhenden Kern 30 wird durch Wicklungen 31 ein Drehfeld erzeugt, dessen momentane Achse durch den Pfeil 32 dargestellt ist. In Richtung der Drehfeld achse bilden sich leitende Brücken, so dass eine mit der Geschwindigkeit des Drehfeldes tunlaufende leitende Verbindung zwischen den Kommutatorsegmenten 29 und dem als Stromabnahme dienenden Kern 30 entsteht.
In Fig. 14 ist die Ausführung des Erfin dungsgegenstandes als Ventil dargestellt. Die Anordnung entspricht im wesentlichen Fig. 5. Der Hauptstrom I fliesst über die Belastung 33 und die Hauptstromspule 5. Die Steuerurig des Ventils erfolgt durch einen Hilfsstrom- so kreis, bestehend aus einem kleinen Transfor mator 34 und einem Hilfsventil 35 nebst Steuerspule 12.
Die Wirlntngsweise ist folgende: Zunächst fliesst ein im wesentlichen mit der Spannung phasengleicher Strom i in der einen Richtung durch die Hilfswicklung 12. Erreicht das Feld der Hilfswicklung einen bestimmten Wert, so wird die erste Brücke in der Dose gebildet. Nun kann der Hauptstrom I fliessen und be wirkt durch das zusätzliche Magnetfeld der Spule 5 sofort weitere Brückenbildung und damit Verkleinerung des Widerstandes der Dose. Beim Stromnulldurchgang fallen die Brücken zusammen. In der nächsten Halb welle ist infolge der Sperrwirkung des Hilfs ventils 35 der Strom i = 0, es tritt keine Brük- kenbildung ein.
Eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 14 zeigt Fig. 15. Durch den Hilfstrans formator 34 wird über einen Widerstand 36 ein Kondensator 37 aufgeladen. Bei Errei chung einer bestimmten Spannung geeigneter Polarität spricht die aus Spitze und Platte bestehende Funkenstrecke 38 an, wodurch die Hilfswicklung 12 erregt wird. Bei umgekehr ter Polarität ist die Überschlagspannung der Funkenstrecke 38 so hoch, dass keine Zündung eintritt. Je nach Wahl des Hilfsventils 35 (Fig. 14) oder der Funkenstrecke 38 (Fig.15) kann der Hilfstransformator 34 entbehrt werden.
Fig. 16 zeigt schematisch den konstruk tiven Aufbau eines Gleichrichters. Es sind vier Dosen übereinander angeordnet, die ähnlich wie in Fig. 10 zwischen lamellierten Polschu hen liegen, wobei in diesem Falle die Bleche der Polschuhe gekreuzt angeordnet sind. Die Hauptstromspule 5 und die Hilfserregerspule 12 sind konzentrisch zur Achse der Dosen an geordnet, um geringe Streuung zu gewähr leisten. Die Stromzu- und -abführung erfolgt an den isolierten äussersten Polschuhen 20 und 21.
Im vorliegenden Fall sind die Dosen über die Polschuhe miteinander in Reihe geschal- tet, was zur Erzielung hoher Sperrspannung notwendig sein kann. Bei Hochstromgleich- richtern wird man die Dosen voneinander isolieren und zweckmässigerweise parallel schalten.
Die Wirkungsweise dieses Gleichrichters ist im Prinzip die gleiche wie im Ausführungs beispiel nach Fig. 14.
Da bei Gleichrichtern im allgemeinen steile Stromnulldurchgänge auftreten, kann es zweckmässig sein, künstlich eine stromlose Pause zu erzeugen, was in an sich bekannter Weise durch Einschaltung von Schaltdrosseln aus hochwertigem Eisen, das sich schon bei geringer Erregung sättigt, geschehen kann.
Für solche wird vorzugsweise ein Material ver wendet, dessen Magnetisierungskennlinie im ungesättigten Gebiet möglichst, wenig gegen die Flussachse geneigt ist, an den Übergangs stellen einen scharfen Knick aufweist und im gesättigten Gebiet möglichst parallel zur Er regerachse verläuft, wobei die Windungszahl zweckmässig so bemessen wird, dass die Sätti gung schon bei sehr niedrigen Stromwerten erreicht wird. Auch hierbei kann zur Herbei führung einer günstigen Lage der stromlosen Pause von einer Vormagnetisierung mit Gleich- oder Wechselstrom Gebrauch gemacht werden.
Die Dauer der stromlosen Pause wird sieh nach der Abbauzeit. der Brücken richten. Um diese klein zu halten, wird es im allgemeinen notwendig sein, kleinen Abstand der Belegun gen, kleine Masse der bewegten Teilchen und kurze Unterbrechungsstrecken zu wählen.
Der Erfindungsgedanke kann unter an derem für den Bau von Relais, Schützen, Ven tilen für Nieder- und Hochspannung, Reglern und Verstärkern, Taktgebern z. B. auch für Programmsteuerungen und dergleichen ver wendet werden.
Ein grosser Vorteil des Widerstandgebildes nach der Erfindung ist, dass infolge der Viel zahl der verwendeten Teile eine sehr grosse Anzahl von Berührungspunkten erreicht wer den kann, die wirksam zur Stromübertragung beitragen, so dass eine verhältnismässig hohe Stromdichte zugelassen werden kann.
<B> By a field </B> influenced <B> Resistance structure. </B> The subject matter of the invention is a resistance structure which is under the influence of a field. This field can be an electric or a magnetic one.
According to the invention, a large number of moving parts are housed in a closed space interspersed with the field between two assignments, the position and contact pressure of which are influenced by the field so that the resistance formed by the parts between the assignments has a value dependent on the field accepts.
Resistors, in which a large number of moving parts is angeord net between occupancies, are already known, for example in the form of a Kör nermikrophone or a fritter (coherer). In the case of the carbon microphone, it is a matter of converting mechanical movements (sound vibrations) into corresponding changes in resistance and thus changes in current.
The change in resistance is not dependent on the size or rate of change of an electromagnetic field.
In the case of the fritter, the change in resistance is brought about by incident electromagnetic waves; however, it is not associated with a change in the position of the individual grains; rather, microscopically small sparks generally appear between the essentially stationary particles, which cause fritting together, ie. H. cause these grains to weld together, which brings a very high resistance value to a low value. There is also no value-related dependency between field change and change in resistance.
Furthermore, it is characteristic of the fritter that it cannot be brought out of the fritted state due to decreasing electrical field intensity, but rather it is generally necessary to break open the weld (frit) points due to mechanical influences. The process for a fritter therefore differs fundamentally from the resistance changes according to the invention, but the phenomena of a fritter in the inven tion can also be used as additional additions.
For the purposes of the invention, an electric field can be used in particular to change dielectric resistances. Mainly a magnetic field is suitable for bringing about the required changes in position or shape of the particles that determine the resistance between the occupations. Arrangements can also be made in which both an electric and a magnetic field are used simultaneously. In general, grains of various kinds, in particular also in the form of rods, can be used as particles. Spherical particles can also be used for special purposes.
When electric fields are used, the moving particles can consist of insulating particles with a dielectric constant that generally differs from that of the surrounding medium. However, conductive liquid particles (e.g. droplets) can also be used, which change their shape under the influence of electrical fields.
When using magnetic fields, the particles are preferably formed from ferromagnetic material. You can either consist of magnetically soft or magnetically hard material, the latter can have more or less strong permanent Ma gnetismus, such. B. Orstit. If necessary, particles of magnetically soft and magnetically hard material, in particular polarized material, can also be used next to one another or in combination.
Here, it may be useful in view of the type of resistance desired to coat the particles with a surface made of another material, with the surface covering according to the desired purpose either made of a highly conductive material, e.g. B. silver, or poorly conductive, e.g. B. tungsten or any carbides or a carbon coating.
Under certain circumstances it can be useful to encase a highly conductive rod with magnetic material, partially concentrically. To generate variable dielectric resistances, it may be useful to coat the particles with an insulating coating, in particular made of substances with a high dielectric constant, preferably> 50 z. B. rutile, high dielectric strength (> 20 kV / mm) and small loss angle (tgö> 0.01 at 50 Hz).
The change in position of the particles generally takes place in that when a field is applied, the particles become electrically or magnetically polarized and then the particles are arranged according to the forces acting between them. As is well known, this effect is used to demonstrate experimentally electric or magnetic fields. The forces between the individual particles are generally greater the greater the exciting field. This has z.
B. in the case of ohmic conductivity of the resulting bridge, the ohmic resistance of the bridge decreases accordingly as the exciting field increases, since the contact pressure increases.
In general, the ohmic resistance of the bridges will be greater, the greater the number of particles connected in series in a bridge and the smaller the number of bridges connected in parallel. You can therefore change the resistance range within wide limits by selecting the bridge length (distance between the coverings), particle size and particle quantity. In general, the number of parallel bridges will increase as the field increases, especially if a relatively large number of particles and a different grain size are used.
A special case exists when the particles are already polarized before the field is applied, e.g. B. if they consist of small permanent magnets; then they are only oriented in the direction of the field lines by the applied field. The premagnetization of the particles can also be brought about by an additional direct or alternating current field.
With a decreasing field is in general, especially with a uniform shape of the particles chen, the pressure between the individual particles chen and the assignments are reduced so that, for. B. with an electrically conductive resistance of the contact pressure and thus the contact resistance increases accordingly. In this way, changes in the effective resistance value of up to two orders of magnitude can easily be achieved, and if necessary even to a larger extent. At a certain minimum field, the bridges will generally collapse, so that the resistance then goes to infinity. Essentially, gravity acts as a return force.
In the case of polarized particles, the conditions are such that - as long as the generating field acts in one direction - the particles adjust accordingly. Reverses the direction of the generating field, e.g. B. shortly after the current zero crossing, the particles are 180 degrees opposite to the generating field and now have gravity next to them. another magnetic moment that she tries to turn. This can cause the bridges to collapse quickly.
In the case of polarized particles, the collapse can be accelerated by a counteracting remanent field or by counter-excitation with direct or alternating current, the latter generally having to be phase shifted.
In addition to these return forces, spring forces can be used, especially if the particles themselves are designed as small springs. Springs that have the shape of a tire and are elliptically deformed by the field are particularly favorable. But leaf springs, spiral or helical springs can also be used. When using drops of liquid, the surface tensions have a similar effect. Very large feedback forces can be generated if the centrifugal force is used in such a way that it is directed against the force of the excited field.
Sometimes it can be useful to make use of impact forces by exposing the arrangement to impacts and vibrations, in particular also by ultrasound. It can be important to let the return forces only take effect during certain times, e.g. B. in the vicinity of the current zero crossing or the zero crossing of the generated field.
In general, in order to ensure the constancy of the arrangement, it will be expedient to place the particles in an all-round closed space, e.g. B. in a box formed from assignments and the appropriate annular insulating Ab spacer. The space can be filled either with air or any other gas under any, in particular also increased pressure. The space can also be put under a high vacuum or filled with an insulating or more or less conductive liquid. Gas under high pressure, high vacuum and filling with gas and especially liquids with high dielectric strength will be used when high voltage stress is to be expected in the interrupted state.
Liquid, especially with. a relatively high viscosity, i.e. H. a viscosity e.g. B. a thicker oil, preferably minde least 200 centistokes at 20 C, generally causes a delay in the construction and construction of the bridges, whereby predetermined time delays can be achieved.
The shape, size and number of the particles can be varied in many ways depending on the intended purpose; In particular, it is also possible to use particles of different shapes and sizes next to one another, which can influence the characteristics.
In addition to particles that are primarily polarized under the influence of the generating field, particles in the form of small coils can also be used, which are either polarized by induced currents when the generating field changes, or which, like the frames of a moving coil instrument, be additionally excited by an externally applied current. You will then make the arrangement so that the coil boxes of these particles are conductive and thereby either close or open a connection between the assignments.
To switch off currents that previously flowed through the bridges, it can be important to reduce the interruption current strength below the minimum current strength of about 0.1 to 1 A per bridge. So that the last existing bridge does not have to switch off the entire current, it is advisable to assign a sufficiently large inductance to the individual bridge paths in a suitable manner; then a shutdown with parallel burning discharges can be brought about at each individual bridge.
In general, the self-inductance of ferromagnetic bridges will already be sufficient to bring about this effect. It may be useful to divide the assignments in a network-like manner and to connect additional small inductances to the individual network sectors.
It can be advantageous here to design the space between the coverings in a honeycomb-like manner in such a way that generally only one bridge is created per honeycomb. This also has the advantage that when the position of the entire system changes, not all particles will accumulate in one place.
To short switching times - e.g. B. in the order of magnitude of 10-2 to 10-4 seconds and less - it is useful to keep the particles as small as possible, in particular smaller than. 0.1 mm largest dimension (up to colloidal size) to be selected. Under certain circumstances, it can be advantageous to dimension the distance between the coverings (or poles) to be somewhat smaller than the length of the preferably rod-shaped particles.
Some embodiments of the subject of the invention are shown in the drawing.
In Fig. 1 a device is shown in which the main current I flows through the resistor between two assignments 1 and 2. The two assignments are kept at a small distance from one another by an insulating ring 3. The can gebil finished by these parts is partially filled with magnetizable particles 4. The field is generated with the aid of an excitation winding 5 which is fed by an excitation current i.
Normally, the particles lie on the lower layer 2, so that there is no conductive connection between the two layers, so the resistance is practically infinite. If the coil 5 is switched on, linear Ge forms from the ferromagnetic particles, which form conductive bridges between the assignments 1 and 2, arise between the assignments according to the magnetic force field. Thus the age of the main current I is closed via a resistor corresponding to the respective excitation i.
Referring to Figure 2, a similar arrangement for electric field control is shown. The two assignments 1 and 2 are again held at a suitable distance from one another by an insulating ring 3 and are connected to the voltage u of a small auxiliary transformer 7 via a resistor 6.
The can 8 is filled with liquid droplets 4a which, when an electric field is applied, lengthen in the direction of the field and thus bridge the documents 1 and 2. In order to facilitate detachment when the electric field is switched off, non-wetting liquids or corresponding surfaces of the coverings can be selected.
In FIG. 3 the application of the inventive concept to a controller is shown. In an insulating tubular body 9, a filling made of granular material 4 is arranged, which is generally in permanent contact with the two coverings 1 and 2. The magnetic field used here is generated with the aid of an excitation winding 5 which surrounds the tubular body 9.
With this arrangement, the contact pressure between the individual particles increases with the increasing field, which results in a corresponding reduction in resistance.
In the embodiment according to FIG. 4, which can also be used for regulating purposes, the main current I causes the excitation. For switching on (ignition) a switch 10 is provided, with the help of which the two documents 1 and 2 stood on a counter 11 (temporarily) can be connected. As a result, a low current corresponding to the resistance 11 will initially flow, which generates a magnetic field in the windings 5. One or a few bridges are created; these immediately carry the main current, which increases the magnetic field.
As a result, a large number of bridges are now formed in accordance with the field strength. The greater the current in the main current winding, the smaller the contact resistance. This is of great advantage in many cases, since the ohmic losses are correspondingly smaller with a high current. The shutdown occurs through an interruption in the circuit of the main current I.
An arrangement according to FIG. 4 will therefore generally have a high resistance when the current is small and a low resistance when the current is large. Depending on the choice and shape of the particles, the voltage drop can be constant, i. H. regardless of the magnitude of the current, it can rise slightly or fall slightly, similar to an electric arc. It increases when, as shown in FIG. 5, an auxiliary winding 12 is used in addition to the main current winding 5, which ensures a certain constant minimum value of the resistance.
If the auxiliary winding 12 essentially counteracts the main winding 5, then it can be achieved that with increasing main current I, the resistance also increases. By supplying the auxiliary winding 12 with alternating current z. B. different phase position, Fre quency, curve shape, etc., various effects can be brought about.
Some embodiments of the particles which differ from the grain shape are shown schematically in FIGS. In FIG. 6, the particles consist of small elastic rings 13, which are deformed elliptically by the electric or magnetic field, so that the distance between the rings and the top layer is reduced or made equal to zero.
7 shows rod-shaped particles 14 which are held in place by a rubber membrane 15, for example in an inclined position to the axis of the field. When the field is excited, they rotate in its direction and thereby make contact, the contact pressure here also increasing with the field strength.
In Fig. 8 the particles are designed as leaf springs 16, e.g. B. made of ferromagnetisehein material. When the field is excited, these springs bend in the direction of the axis and touch the top layer 1.
Finally, FIG. 9 shows an arrangement in which conductive, closed rings 18 are used, which are held by an elastic thread 19's. When the exciting field changes, induction currents arise which, together with the field, result in torques, which causes a change in the position of the conductive rings.
Fig. 10 shows an arrangement with an iron-closed magnetic circuit we sentlichen. The assignments of the box are formed here by the pole pieces 20 and 21, which are isolated from the magnetic circuit 23 with the help of insulating washers 22. By using laminated pole shoes that are insulated from one another as a covering, it is achieved that if the generating field changes rapidly, no shielding of the same is caused by the formation of vortices. The main current I is fed to or taken from each individual sheet metal of the pole shoes. The front side of the metal sheets is expediently silver-plated to achieve small contact resistances.
In order to achieve a pre-polarization or counteracting effect, a permanent magnet 24 can be inserted into the magnetic circuit. A similar effect can also be achieved with an auxiliary winding 25. The arrangement according to FIG. 10 can be used as a relay, contactor or the like. If the can is filled with a viscous liquid, a relay or contactor is also created. Time Delay. With this arrangement you can also get a temperature-dependent relay if you take advantage of the fact that the ferromagnetic particles. become non-magnetic at a very specific temperature (reaching the so-called Curie point).
By choosing suitable alloys (nickel iron, permalloy, especially the addition of cobalt), the Curie point can be set to the temperature values desired in each case. The advantage of the arrangement according to FIG. 10 is that the switching element is encapsulated on all sides, operates noiselessly and does not require any maintenance, since there are no moving parts in the usual sense. Fig. 11 shows the application of the inven tion concept, in particular for high voltage.
The parts are designed as small leaf springs according to FIG. If you look at the springs from above, you get the picture of a plate bottom, with each plate having rounded edges. The can itself is expediently filled with a highly permeable gas or liquid medium or placed under high vacuum. The distance between leaf springs and top allocation can be selected very small (few, u) ge when switched off depending on the requirements.
But it can also be up to several millimeters. By arranging large creepage distances in the form of ribs 26 on the outside, a rollover between tween the assignments is prevented.
In FIG. 12, an arrangement is shown schematically in which a radial field between two concentric cylinders 27 and 28 is used. To increase the return force, the core 27 and Man tel 28 can rotate. As a result, a return force several orders of magnitude higher than gravity can be achieved by centrifugal force hurling the particles 4 against the inner wall 28a of the cylinder jacket 28 when the field between the core 27 and the jacket 28 disappears.
13 shows the application of the concept of the invention for the construction of a commutator at rest. The segments 29 are connected to the stationary winding. In the core 30, which is also at rest, a rotating field is generated by windings 31, the current axis of which is shown by the arrow 32. Conductive bridges are formed in the direction of the rotating field axis, so that a conductive connection, running at the speed of the rotating field, is created between the commutator segments 29 and the core 30 serving as a current draw.
In Fig. 14, the embodiment of the invention is shown as a valve. The arrangement corresponds essentially to FIG. 5. The main current I flows via the load 33 and the main current coil 5. The valve is controlled by an auxiliary circuit, consisting of a small transformer 34 and an auxiliary valve 35 and control coil 12.
The mode of operation is as follows: First, a current i essentially in phase with the voltage flows in one direction through the auxiliary winding 12. When the field of the auxiliary winding reaches a certain value, the first bridge is formed in the socket. The main current I can now flow and the additional magnetic field of the coil 5 immediately causes further bridging and thus a reduction in the resistance of the can. The bridges collapse when the current passes through zero. In the next half-wave, the current i = 0 as a result of the blocking action of the auxiliary valve 35, and no bridging occurs.
A modification of the arrangement according to FIG. 14 is shown in FIG. 15. Through the auxiliary transformer 34, a capacitor 37 is charged via a resistor 36. When a certain voltage of suitable polarity is reached, the spark gap 38 consisting of tip and plate responds, whereby the auxiliary winding 12 is excited. If the polarity is reversed, the flashover voltage of the spark gap 38 is so high that no ignition occurs. Depending on the choice of the auxiliary valve 35 (FIG. 14) or the spark gap 38 (FIG. 15), the auxiliary transformer 34 can be dispensed with.
Fig. 16 shows schematically the constructive structure of a rectifier. There are four cans arranged one above the other, which are similar as in Fig. 10 between laminated Polschu hen, in which case the metal sheets of the pole pieces are arranged crossed. The main current coil 5 and the auxiliary excitation coil 12 are arranged concentrically to the axis of the cans in order to ensure low scatter. The current is supplied and discharged at the insulated outermost pole pieces 20 and 21.
In the present case, the sockets are connected in series with one another via the pole shoes, which can be necessary to achieve a high reverse voltage. In the case of high-current rectifiers, the sockets will be isolated from one another and connected in parallel for practical purposes.
The mode of operation of this rectifier is in principle the same as in the embodiment according to FIG. 14.
Since rectifiers generally have steep current zero crossings, it can be useful to artificially create a currentless pause, which can be done in a known manner by switching on switching reactors made of high-quality iron, which is saturated even at low excitation.
For these, a material is preferably used whose magnetization characteristic is inclined as little as possible to the flux axis in the unsaturated area, has a sharp bend at the transition points and runs as parallel to the exciter axis as possible in the saturated area, the number of turns being expediently dimensioned so that saturation is already reached at very low current values. Here, too, use can be made of a premagnetization with direct or alternating current to bring about a favorable position for the currentless break.
The duration of the currentless break depends on the dismantling time. straighten the bridges. In order to keep this small, it will generally be necessary to select a small spacing between the occupancies, a small mass of the moving particles and short interruptions.
The inventive idea can among others for the construction of relays, contactors, Ven valves for low and high voltage, regulators and amplifiers, clocks z. B. can also be used for program controls and the like.
A great advantage of the resistor structure according to the invention is that, due to the large number of parts used, a very large number of contact points can be achieved that effectively contribute to the transmission of current, so that a relatively high current density can be allowed.
