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Magnetische Signaleinrichtung für Schienenfahrzeuge Die Erfindung
betrifft eine magnetische Signaleinrichtung für Schienenfahrzeuge, bestehend aus
einem an der Strecke oder am Fahrzeug angebrachten Magneten und einem am Fahrzeug
oder an der Strecke angebrachten magnetischen Kreis, der ein durch eine Gleichstromerregung
vormagnetisiertes Joch mit zwei einen federbelasteten Anker mittels der Vormagnetisierung
anziehenden Polen und der zwei weitere Pole, auf die der Magnet bei seinem Vorbeigang
an dem magnetischen Kreis einwirkt, enthält, wobei der Anker abfällt und eine Anzeige
oder einen Vorgang auslöst, wenn eine gewisse Verminderung der Magnetisierung des
Joches eintritt. Bei Signaleinrichtungen dieser Art wird eine Veränderung des magnetischen
Flusses ausgenutzt, um ein Signal zu erzeugen oder um einen Arbeitsvorgang auszulösen,
ohne daß ein mechanischer Kontakt zwischen der Fahrbahn und dem Fahrzeug besteht.
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Magnetische Signaleinrichtungen der - erwähnten Art bestehen im allgemeinen
aus einer einen magnetischen Fluß erzeugenden Vorrichtung, die im folgenden »Induktor«
genannt wird, und aus einer auf den magnetischen Fluß ansprechenden Vorrichtung,
die im folgenden als »Empfänger« bezeichnet wird. Eine dieser beiden Vorrichtungen
ist auf der Fahrbahn angeordnet, während die andere Vorrichtung an dem jeweiligen
Fahrzeug angebracht ist. Der Induktor ruft im allgemeinen eine Wirkung in dem Empfänger
nur für eine Fahrtrichtung des Fahrzeuges hervor, die einer vorbestimmten Flußrichtung
des magnetischen Flusses durch die magnetischen Kreise des Induktors und, des Empfängers
entspricht.
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Magnetische Signaleinrichtungen, bei denen die Auslösung des zu übertragenden
Signals durch das Zusammenwirken zweier magnetischer Flüsse erfolgt, sind bekannt.
Diese bekannten Signaleinrichtungen arbeiten insbesondere in der eingangs angegebenen
Weise. Dabei war aber grundsätzlich die durch den Vorbeigang des an dem Schienenfahrzeug
befestigten Magneten an der ortsfesten Einrichtung bewirkte magnetische Zustandsänderung
nicht immer ausreichend stark, um mit Sicherheit die gewünschte Signalabgabe zu
gewährleisten.
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Dies konnte auch bei solchen bekannten magnetischen Gleisgeräten nicht
erreicht werden, bei denen die Räder des Schienenfahrzeuges an Stelle eines an diesem
befestigten Magneten zum Ausfüllen eines magnetischen Luftspaltes der ortsfesten,
rein elektromagnetisch arbeitenden Signaleinrichtung benutzt wurden.
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Die magnetische Signaleinrichtung nach der Erfindung ermöglicht im
Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen eine stets sichere Signalabgabe noch bei
einem Abstand von der Schiene bis zu 10 cm und erlaubt dabei die Betätigung von
drei Schalte kontakten unter starkem Druck.
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Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß eine magnetische
Signaleinrichtung der eingangs gekennzeichneten Art in der Weise ausgebildet ist,
daß die Verminderung der Magnetisierung des Joches dadurch eintritt, daß der magnetische
Widerstand des Joches stark zunimmt, wenn sich der von dem vorbeigehenden Magneten
in dem Magnetkreis induzierte Magnetfluß und die Vormagnetisierung mit gleicher
Richtung in dem Joch überlagern.
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Nach der Erfindung haben also die beiden Magnetkreise des Empfängers
einen gemeinsamen Teil, der im nachfolgenden als »Joch« bezeichnet wird. Durch geeignete
fiußerzeugende Mittel, die in dem übrigen Teil des Sekundärkreises, d. h. außerhalb
des Joches, angeordnet sind, wird der Sekundärfluß erzeugt und ständig aufrechterhalten.
Das Joch muß aus einer solchen magnetischen Legierung bestehen und so
ausgebildet
sein, daß sein magnetischer Widerstand in Abhängigkeit von dem in ihm vorhandenen
Magnetfluß innerhalb eines bestimmten Variationsbereiches dieses Magnetflusses schnell
zunimmt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung soll das Joch aus einer
Legierung bestehen, deren magnetische Permeabilität mit zunehmendem Magnetfluß schnell
abnimmt. Der normalerweise durch das Joch fließende Magnetfluß, also der Magnetfluß
bei Abwesenheit des Induktors, wird so gewählt, daß sein Wert genügend weit von
der unteren Grenze entfernt ist, damit ein steiler Zuwachs des magnetischen Widerstandes
als Folge eines Zuwachses des Primärflusses stattfinden kann.
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Erfindungsgemäß kann das Joch insbesondere aus einer hochpermeablen
Legierung bestehen.
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Ein anderer Vorschlag der Erfindung geht dahin, die Empfindlichkeit
der Einrichtung dadurch zu verbessern, daß der Querschnitt des Joches so bemessen
ist, daß einerseits der magnetische Widerstand im magnetischen Kreis bei Einwirkung
des vorbeigehenden Magneten so stark zunimmt, daß der Anker abfällt, andererseits
aber der Fluß im magnetischen Kreis ausreicht, um den Anker im Ruhezustand angezogen
zuhalten.
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Dadurch, daß der Sekundärfluß außerhalb des den beiden Magnetkreisen
des Empfängers gemeinsamen Teiles erzeugt wird, fließt der Sekundärfluß praktisch
nur im Sekundärkreis, während etwaige Streuungen des Flusses durch den Primärkreis
vernachlässigt werden können.
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Ein besonderer Vorzug des zuletzt erwähnten Merkmals besteht darin,
daß der im Empfänger vorhandene nutzbare Magnetfluß im wesentlichen gleich dem Gesamtwert
des Sekundärflusses ist.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht darauf,
daß der magnetische Widerstand des Joches zunimmt, wenn der in ihm vorhandene Magnetfluß
größer wird.
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Unter diesen Verhältnissen ist es notwendig, aber auch ausreichend,
dem Joch eine solche Permeabilität zu geben, daß das Joch, so lange wie der Wert
des Sekundärflusses auf dem fallenden Abschnitt der Permeabilitätskurve der Jochlegierung
liegt, dem Magnetfluß, der die Summe des Sekundärflusses und des vom Induktor erzeugten
Primärflusses darstellt, einen magnetischen Widerstand entgegensetzt, der den Sekundärfluß
so weit herabsetzen kann, daß der gewünschte Arbeitsvorgang ausgelöst wird.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, daß erfindungsgemäß zwei miteinander
gekoppelte magnetische Kreise mit je einem Anker vorgesehen sind und je ein Abschnitt
des Joches einen Teil der magnetischen Kreise bildet.
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Schließlich kann es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmäßig
sein, den Empfänger mit einer Vorrichtung auszustatten, die den Abfall des Sekundärflusses
beschleunigt. Diese Vorrichtung soll wirksam werden, wenn die gegenseitige Bewegung
zwischen Induktor und Empfänger mit sehr großer Geschwindigkeit erfolgt, was ja
normalerweise bei einem schnellfahrenden Schienenfahrzeug der Fall ist. Bei derartig
hohen Geschwindigkeiten ist die Zeitdauer, während der der Magnetfluß des Induktors
durch den Primärkreis des Empfängers fließen kann, außerordentlich kurz, so daß
die zur Auslösung des gewünschten Arbeitsvorganges zur Verfügung stehende Zeit unter
Umständest nicht ausreicht. -Die erwähnte zusätzliche Vorrichtung gestattet eine
sichere und zuverlässige Arbeitsweise auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Diese
Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kupferring, der das Joch umschließt
und eine elektromotorische Kraft als Funktion der Zuwachsgeschwindigkeit des Primärflusses
erzeugt. Diese elektromotorische Kraft ruft in dem Sekundärkreis die gleichen Wirkungen
hervor, wie sie auch durch den Zuwachs des magnetischen Widerstandes entstehen.
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Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sollen nachstehend
an Hand der Zeichnung genauer beschrieben werden. Es zeigt Fig. 1 eine schematische
Frontansicht einer erfindungsgemäßen magnetischen Signaleinrichtung und Fig.2 eine
Abänderung der Einrichtung nach Fig. 1.
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Die in Fig.1 dargestellte erfindungsgemäße Signaleinrichtung besteht
im wesentlichen aus zwei Hauptvorrichtungen, nämlich einem Induktor 1 und einem
Empfänger 2. Eine dieser Vorrichtungen ist an einem Schienenfahrzeug, etwa an einer
Lokomotive, angebracht, während sich die andere Vorrichtung auf der Fahrbahn befindet.
Der Empfänger ist dort angeordnet, wo eine Anzeige oder ein Arbeitsvorgang ausgelöst
werden soll.
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Der Induktor 1 besteht aus drei Hauptteilen, nämlich den beiden Polstücken
3 und 4, die durch einen Stab 5 miteinander verbunden sind. Diese drei Teile bestehen
aus einem magnetischen Material, das zweckmäßigerweise nur einen geringen magnetischen
Widerstand hat. In: diesem magnetischen Kreis wird ein ständiger Magnetfluß aufrechterhalten,
wobei wenigstens das eine der Polstücke 3 und 4 entweder ein Permanentmagnet oder
der Kern eines Elektromagneten ist, dessen Spule mit einem Gleichstrom gespeist
wird. Die zuletzt erwähnte Ausführungsart gestattet die Umkehr der Polaritäten der
Polstücke 3 und 4, was in manchen Anwendungsfällen einen erheblichen Vorteil darstellen
kann.
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In Fig. 1 sind der Induktor 1 und der Empfänger 2 in einer Arbeitsstellung
wiedergegeben, in der sie sich gegenüberstehen. Ausgenommen in dieser dargestellten
besonderen Lage schließt sich der Magnetfluß des Induktors normalerweise durch die
Luft. Angenommen, daß der Magnetfluß die durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutete
Richtung hat, würde sich der Magnetfluß vom Polstück 4 durch die Luft zum Polstück
3 hin schließen.
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Der Empfänger 2 besteht aus einem Joch 7, an dessen Enden Schuhe 8
und 9 angebracht sind. Im dargestellten Beispiel ist der Abstand zwischen den Schuhen
8 und 9 gleich dem Abstand zwischen den Polstücken 3 und 4 des Induktors. Das Material
des Joches 7 ist eine Magnetlegierung, dessen magnetischer Widerstand schnell zunimmt,
wenn der durch das Joch fließende Magnetfluß von einem gegebenen Wert an zunimmt.
Als solches Material käme eine hochpermeable Legierung u. dgl. in Frage. Nahe den
Enden des Joches 7 und mit einem gewissen Abstand von diesen Enden sind zwei Magnetkerne
11 und 12 vorgesehen. Auf den Magnetkernen 11 und 12 befinden sich die Spulen 13
und 14, die mit Gleichstrom gespeist werden und eine solche Polarität erzeugen,
daß der Sekundärfluß in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung fließt.
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Die freien Enden der Magnetkerne 11. und 12 sind mit einem Anker 15
gekoppelt, der an einem festen
Lager 16 angelenkt ist und ständig
der Wirkung einer Rückholfeder 17 ausgesetzt ist. Der Anker 15 bildet das aktive
bewegliche Glied der Einrichtung. Sein Zweck ist, einen gewünschten Arbeitsvorgang,
z. B. das Öffnen oder das Schließen eines oder mehrerer elektrischer Kontakte, auszulösen.
Wenn im dargestellten Beispiel der Anker 15 in seiner normalen angezogenen Lage
ist, wie es Fig. 1 zeigt, schließt er die Kontakte 21, 23, während er im abgefallenen
Zustand den bewegbaren Kontakt 21 von dem festen Kontakt 23 abhebt und ihn mit einem
anderen festen Kontakt 22 verbindet.
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Der Anker 1.5 spricht auf die Wirkung des Induktors nur dann an, wenn
die Polaritäten des Flusses im Induktor und im Empfänger so sind, wie sie in der
Fig. 1 angedeutet sind. Wenn dagegen Empfänger und Induktor so einander gegenübergestellt
werden, daß der Fluß im Induktor die zur Zeichnung entgegengesetzte Richtung hat,
so fällt der Anker 15 nicht ab. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung
verläuft folgendermaßen: Wenn sich Induktor und Empfänger nicht gegenüberstehen,
ziehen die ständig mit Gleichstrom gespeisten Spulen 13 und 14 den
Anker 15 gegen die Wirkung der Rückholfeder 17 an. Ein sekundärer Magnetfluß
fließt in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung durch den magnetischen Kreis,
der aus dem Kern 11, dem mittleren Abschnitt des Joches 7, dem Kern 12 und
dem Mittelabschnitt des Ankers 15 besteht. Der normale Wert dieses Sekundärflusses
ist so gewählt, daß der Anker 15 gegen die Kerne 11 und 12 entgegen der Wirkung
der Rückholfeder 17 unter allen Arbeitsbedingungen angezogen bleibt.
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Die Windungszahlen für die Spulen 13 und 14, die durch
die Spulen 13 und 14 fließenden Stromstärken, die Querschnitte der Kerne 11 und
12, des Ankers 15 und des Joches 7 sowie die Eigenschaften des Jochmaterials (z.
B. eine hochpermeable Legierung) sind so gewählt, daß bei Abwesenheit des Induktors
die Permeabilität des Joches auf dem fallenden Abschnitt der Permeabilitäts-Induktionskurve
liegt. Dieser Arbeitspunkt muß aber so gewählt sein, daß er genügend weit von dem
Minimum der Kurve entfernt ist, damit noch ein erheblicher Zuwachs des magnetischen
Widerstandes möglich ist.
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In einem speziellen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung
bestand das Joch aus einer hochpermeablen Legierung und hatte einen rechteckigen
Querschnitt von 14 - 3 mm = 0,42 cm2. Ein einwandfreies Arbeiten konnte bei diesem
Joch mit einem normalen Wert des Sekundärflusses von 3400 Maxwell, also mit einer
Induktion von
= 8100 Gauß, erzielt werden.
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Dies entspricht auf der Permeabilitäts-Induktionskurve von einer hochpermeablen
Legierung einer Permeabilität von #t = etwa 7000.
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Wenn unter diesen Bedingungen der Induktor 1 dem Empfänger 2 gegenübergestellt
wird, so folgt der durch den Induktor 1 erzeugte Magnetfluß, anstatt sich durch
die Luft zu schließen, für eine kurze Zeit einem Weg, zu dem der Schuh 8, das Joch
7 und der Schuh 9 gehören. Im Mittelteil des Joches 7 überlagert sich dieser Fluß
dem durch- die Spulen 13 und 14 im Empfänger hervorgerufenen Sekundärfluß.
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In dem erwähnten speziellen Ausführungsbeispiel war der kritische
Wert des Sekundärflusses, bei dem der Anker 15 abfiel, zu 1700 Maxwell gewählt worden.
Der Abfall von 3400 auf 1700 Maxwell im Sekundärkreis läßt sich mit dem erwähnten
Joch leicht durch einen zusätzlichen Primärfluß von 1860 Maxwell erzielen, der von
dem Induktor hervorgerufen wird. Wie das zustande kommt, geht aus folgendem hervor:
Der Gesamtftuß in dem Joch ist unter diesen Umständen 1700 + 1860 = 3560 Maxwell,
was einer magnetischen Induktion von
= 8500 Gauß entspricht. Nun zeigt aber die Permeabilitätskurve einer hochpermeablen
Legierung, daß eine Zunahme der Induktion von 8100 auf 8500 Gauß, d. h. um etwa
5%, einen Abfall der Permeabilität von etwa 7000 auf weniger als 4000, also um etwa
50 °/o, zur Folge hat.
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Wenn der Anker 1.5 abfällt, so wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Kontakt 21, 23 unterbrochen, während der Kontakt 21, 22 geschlossen wird. Sobald
sich Induktor und Empfänger nicht mehr gegenüberstehen, sind wieder die ursprünglichen
Bedingungen hergestellt. Also jedesmal, wenn Induktor und Empfänger in die in Fig.
1 dargestellte gegenseitige Lage gebracht werden, fällt der Anker 15 ab, wird durch
die Rückholfeder 17 gekippt und wird dann wieder angezogen.
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Man sieht, daß bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung der magnetische
Sekundärkreis des Empfängers praktisch ständig geschlossen ist, wodurch Streuungen
des Flusses vermieden werden.
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Man sieht ferner, daß, da die Kerne 11 und 12 einen gewissen Abstand
von den Enden des Joches 7 haben, kein übermäßig großer Fluß des Induktors 1 unmittelbar
durch den Magnetkreis des Empfängers fließen kann, so daß dieser Fluß auch nicht
in der Lage ist, die Richtung des Flusses im Empfänger nach dem Abfall des Ankers
15 umzukehren.
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In dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel sind beide
Vorrichtungen polarisiert, so daß die Einrichtung nicht anspricht, wenn eine der
Vorrichtungen gegenüber der anderen umgekehrt wird, wenn also beispielsweise das
Polstück 3 dem Schuh 8 und das Polstück 4 dem Schuh 9 gegenüberstehen würde. Bei
einer solchen umgekehrten Gegenüberstellung würde der Magnetfluß in dem Joch 7 vermindert
und im Anker 15 erhöht werden, so daß letzterer gegen die Kerne angezogen bleibt.
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Auf diese Weise erhält man die Möglichkeit, die an Schienenfahrzeugen
angebrachten Empfänger nur dann zu betätigen, wenn diese Fahrzeuge in einer vorbestimmten
Richtung fahren, während die auf in entgegengesetzter Richtung fahrenden Fahrzeugen
angebrachten Empfänger nicht ansprechen. Dies gestattet auch beispielsweise bei
eingleisigem Verkehr eine Unterscheidung zwischen den beiden Fahrtrichtungen der
Züge zu erreichen.
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Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Einrichtung vor allem bei
höheren Geschwindigkeiten zu vergrößern, kann das Joch 7 von eirein beispielsweise
aus Kupfer bestehenden dicken Ring 26 umschlossen sein. Wenn sich Induktor und Empfänger
schnell einander nähern, induziert der schnell herankommende Magnetfluß des Induktors
in dem Ring 26 eine dem Magnetfluß entgegenwirkende elektromotorische Kraft, welche
den Sekundärfluß im Empfänger herabzusetzen bestrebt ist und so den Abfall des Ankers
15 bewirkt. Der Wirkungsgrad des Ringes 26 steigt mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges
an. Der Ring 26
verzögert auch die Wiedereinstellung des anfänglichen
Sekundärflusses, wenn sich Induktor und Empfänger wieder voneinander entfernen,
wodurch auch das Wiederanziehen des Ankers 15 verzögert wird.
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In gewissen Anwendungsfällen kann es beispielsweise auf einer Lokomotive
erwünscht sein, zwei getrennte Anzeigen zu erhalten, die durch Betätigung zweier
verschiedener Sätze elektrischer Kontakte herbeigeführt werden. Dies kann man dadurch
erzielen, daß man auf der Lokomotive zwei getrennte Empfänger anbringt und auf der
Fahrbahn einen elektromagnetischen Induktor, dessen Speisestrom man umpolen kann.
Eine derartige Umschaltung der Polarität gestattet die selektive Einwirkung auf
einen der beiden Empfänger der Lokomotive.
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Um eine derartige Einrichtung kompakter zu gestalten, kann man das
gleiche Ergebnis mit einem Doppelempfänger erhalten, wie er schematisch in Fig.
2 dargestellt ist. Diese Bauweise enthält die Teile zweier einfacher, in Reihe geschalteter
Empfänger. Der Sekundärkreis besteht jetzt aus zwei Schleifen mit einem gemeinsamen
Abschnitt. Zu der ersten Schleife gehören eine Hälfte 7 a des Joches
7, ein Mittelstab 25, ein Anker 15a und ein Kern 11 mit der Speisespule
13. Die andere Schleife des Sekundärkreises besteht aus der anderen Hälfte
7 b des Joches 7, dem gleichen Mittelstab 25, einem anderen Anker
15 b und einem anderen Kern 12 mit der Speisespule 14. Jeder Anker besitzt
seine eigene Rückholfeder 17 a, 17 b und betätigt einen anderen Kontaktsatz, wie
z. B. die Schalter 21a, 21b.
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Die Anordnung der einzelnen Teile ist so, daß die Kraftlinien in jeder
Schleife des Sekundärkreises die durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutete Richtung
haben, und die Arbeitsweise jeder Sekundärschleife ist ähnlich der des Sekundärkreises
von Fig. 1. Nicht dargestellte Kupferringe könnten auf jeder Hälfte 7a, 7b
des
Joches 7 ähnlich wie in Fig. 1 angebracht sein. Es ist zweckmäßig, daß der durch
die Speisespule 13, 14 fließende Strom praktisch unabhängig von schnellen
Änderungen des Magnetflusses in dem Sekundärkreis bzw. in den Schleifen des Sekundärkreises
ist. Zu diesem Zweck kann ein Widerstand mit großem Ohmschem Wert in den Speisekreis
der Spule in Reihe geschaltet werden. Die Speisespannung muß dann selbstverständlich
entsprechend groß gewählt werden. Wenn keine geeignete Spannungsquelle zur Verfügung
steht, kann auch eine Selbstinduktion mit den Speisespulen 13, 14 in Reihe
geschaltet werden.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten und
beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Einzelheiten beschränkt. Beispielsweise
könnten die Elektromagneten des Empfängers durch einen oder durch mehrere Permanentmagneten
oder durch andere Mittel ersetzt werden, die den benötigten magnetischen Sekundärfluß
erzeugen. Ferner könnte beispielsweise in Fig. 2 der Mittelstab 25 durch einen Permanentmagneten
ersetzt werden, wobei die Speisespulen 13 und 14 fortfallen würden.