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Dreischenkliger ebener Magnetkern für dreiphasige Induktionsgeräte
Die Erfindung betrifft dreischenklige ebene Magnetkerne für dreiphasige Induktionsgeräte
aus übereinandergelegten Blechen mit verbesserten Einsatzstücken zwischen dem mittleren
Schenkel und den Jochteilen des dreiphasigen Magnetkerns.
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Bei dreiphasigen, dreischenkligen Magnetkernen haben die Schenkel
gleiche Breiten. Dies erklärt sich daraus, daß der durch jeden Schenkel gehende
Magnetfluß durch die beiden anderen Schenkel zurückgeleitet wird. Hierdurch findet
ein dauernder Wechsel des magnetischen Flusses an dem Verbindungsstück zwischen
dem mittleren Schenkel und den angrenzenden Jochen statt.
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Da die Kernbleche meist aus siliziertem Stahl mit stark ausgeprägter
Kornorientierung und magnetischer Vorzugsrichtung bestehen:, erschwert die wechselnde
Verteilung und Richtung des magnetischen Flusses in dem Verbindungsstück die Ausnutzung
der Eigenschaften dieser Werkstoffe in dem Verbindungsstück, insbesondere aber bei
Magnetkernen, deren Schenkel und Joche durch Längsschlitze in zwei Teile aufgetrennt
sind. Für optimale magnetische Bedingungen solcher geschlitzter Kerne muß der Fluß
leicht zwischen jedem Teil des mittleren Schenkels und denn angrenzenden Teil des
Jochs hindurchgehen. Bei bekannten Anordnungen werden für die T-Verbindung des Jochs
mit dem Kern rechtwinklige Einsatzglieder aus Stahl verwendet, die beliebige Form
haben können, weil sie aus nicht kornorientiertem Stahl bestehen.
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Es ist wünschenswert, daß sich die einzelnen T-förmig aneinandergrenzenden
Blechstöße überlappen, um einen niedrigen magnetischen Widerstand und eine größere
mechanische Festigkeit des Kerns zu erreichen.
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Bei der T-förmigen Verbindung zwischen dem mittleren Schenkel und
dem Joch eines fünfschenkligen Kerns liegen die gleichen Verhältnisse zugrunde wie
bei dem dreischenkli:gen Kern. Unter dem Ausdruck dreischen.kliger Kern soll daher
allgemein ein mit drei Wicklungen versehener magnetischer Kern verstanden werden,
gleichgültig, ob zusätzliche Rückschlußschenkel vorgesehen sind oder nicht.
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Für das Joch eines geschlitzten Dreiphasenmagnetkerns ist bereits
ein Verbindungsstück vorgeschlagen worden, dessen Form jedoch verhältnismäßig kompliziert
ist. Beispielsweise ist es erforderlich. die Einsatz- und übrigen Blechteile des
Magnetkerns aus verschiedenem Blechmaterial herzustellen. Die Einsatzglieder in
aufeinanderfolgenden Schichten haben verschiedene Formen und die entsprechenden
Teile müssen daher gesondert zugeschnitten werden. Diese Schnitte sind nur schwer
genau auszuführen. Hinzu kommt, daß der magnetische Widerstand bei der bekannten
Anordnung nicht ausgeglichen ist und die Teile des Kerns im Bereich der T-Verbindung
stark übererregt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Magnetkerne sowohl
im Hinblick auf ihre magnetischen Eigenschaften als auch auf die Herstellung der
einzelnen Bauelemente des Kerns zu verbessern.
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Der dreischenklige ebene Magnetkern für dreiphasige Induktionsgeräte
gemäß der Erfindung besteht aus übereinandergelegten Blechen von in der Längsrichtung
kornorientiertem magnetischem Material, wobei die Bleche in parallele, bandförmige
Streifen unterteilt sind und die mit Zwischenraum verlegten Streifen des Mittelschenkels
mit den mit Zwischenraum verlegten Streifen der Außenschenkel über ebenfalls mit
Zwischenraum verlegten, in ihrer Längsrichtung kornorientierten Jochblechen an Stoßkanten
verbunden sind und wobei die Blechstreifen der inneren Schenkelteile und die der
Jochteile mittels eines polygonalen
Einsatzes aus lamelliertem,
magnetisch orientiertem Material verbunden sind und die Einsätze übereinanderliegender
Bleche eine Kornorientierung aufweisen, deren Richtungen zueinander winkelversetzt
sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die polygonalen Einsätze die
Form gleichschenkliger Trapeze haben, wobei die Kornorientierung des Materials in
Richtung der Parallelkanten der Trapeze zerläuft. daß ferner die Höhe dieser Trapezeinsätze
etwa 86°/o der Breite der streifenförmigen Bleche beträgt, daß ein Streifenteil
des Mittelschenkels des Magnetkerns an einem Ende dem Einsatz entsprechend symmetrisch
zugespitzt ist, während der andere Teil rechtwinklig abschließt, daß eine Seite
des zugespitzten Endes mit einem Jochglied etwa einen Gehrstoß, die andere Seite
mit der kurzen Parallelkante des Trapezeinsatzes einen Stumpfstoß bildet, während
der rechtwinklig abschließende Teil des 1@-Iittelschenkels mit einer Schrägkante
des Trapezeinsatzes einen Stumpstoß bildet, und daß die lange Parallelkante des
Trapezeinsatzes mit den Enden eines Teiles der Jochstreifen, die unter dem gleichen
Winkel entlang der langen Parallelkante geschnitten sind, einen Stumpfstoß, die
vierte Kante der Trapezeinsätze, mit den Enden des anderen Jochteils einen Gehrstoß
bildet.
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Durch die verbesserten Verbindungsstücke zwischen Joch und mittlerem
Schenkel wird ein gleichmäßig verteilter magnetischer Fluß erzielt, wobei gleichzeitig
eine verminderte Erregung der Kernteile erfolgt, die im Bereich der Verbindungsstücke
liegen, die zwischen dem zentralen Schenkel und dem Joch vorgesehen sind.
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Die Erfindung wird im nachfolgenden an Hand der Figuren beispielsweise
erläutert.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Teilschnitt, in dem die einzelnen Stoßkanten
zwischen den Teilen der aufeinanderfolgenden Kernbleche mit ausgezeichneten bzw.
gestrichelten Linien angedeutet sind, so daß die Überlappung der einzelnen Stoßkanten
deutlicher ersichtlich ist; in Fig.3 ist schematisch ein Teil des magnetischen Kreises
einer Blechschicht des Kerns gemäß einer älteren Anordnung dargestellt; die gestrichelten
Linien dienen zur Erläuterung des Unterschiedes der Eigenschaften dieser Anordnung
gegenüber der gemäß der Erfindung.
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Der Rahmenkern gemäß der veranschaulichten Ausführungsform besteht
aus einem äußeren, aus einzelnen Blechen zusammengesetzten rechteckigen Kern 1,
in welchen zwei kleinere rechteckförmige Kerne 2 und 3 svinmetrisch eingesetzt sind.
In Fig. 1 ist die äußere Blechschicht abgelöst und vom Kernkörper getrennt dargestellt,
damit die Umkehrung der Stoßkanten bei den verschieden aufeinanderfolgenden Blechschichten
klarer in Erscheinung tritt. Durch diese Überlappung findet eine Verbesserung der
magnetischen Eigenschaften im Bereich der Stoßkanten statt.
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Der dargestellte Kern besteht aus drei Doppelschenkeln 4, 5 und 6
und zwei parallelen Doppeljochen 7 und 8, welche mit den Schenkeln einen rechten
Winkel bilden, während die gute magnetische Verbindung zwischen Schenkel- und Jochblechen
durch Überlappung der Stoßkanten gewährleistet ist. Der Zwischenraum zwischen den
doppelteiligen Jochen und Schenkeln kann insbesondere für die Führung eines Kühlmittels
Verwendung finden. Jeder der drei Schenkel ist mit einer oder mehreren Wicklungen
versehen, welche in üblicher Weise ausgebildet sind. Auf die Darstellung der Wicklungen
wird aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
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Jedes einzelne Blech des mittleren Schenkels 5 ist mit den zugeordneten
Blechen der Jochteile 7 und 8 über je ein Verbindungsstück verbunden, das aus einem
trapezförmigen Einsatzstück 9 besteht, welches mit beiden Teilen des mittleren Kernschenkels
und den entsprechenden Jochteilen mittels Stoßkanten zusammengefügt ist und in magnetischem
Kontakt steht. Vorzugsweise hat das trapezförmige Einsatzglied die Form eines gleichschenkligen
Trapezes.
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Alle Teile des Kerns bestehen aus bandförmigem, kornorientiertem magnetischem
Material mit magnetischer Vorzugsrichtung, die mit der Längsrichtung der bandförmigen
magnetischen Blechteile zusammenfällt. Sämtliche Teile der Schenkel und Joche bestehen
aus solchen übereinandergeschichteten bandförmigen Blechen von gleicher Breite.
Auch die trapezförmigen Einsätze 9 sind aus demselben Material hergestellt wie die
Kern- und Jochbleche. Die Höhe der trapezförmigen Einsatzstücke 9 beträgt etwa
86,0/9 der Breite der zugehörigen Joch- bzw. Schenkelteile. Die magnetische
Vorzugsrichtung der Einsätze 9 liegt parallel zu den parallelen Seiten des Trapezes,
wie durch die Doppelpfeile angedeutet ist.
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Wie aus dem gesondert dargestellten Vorderblech gemäß Fig. 1 hervorgeht,
ist das Verbindungsstück 9 zwischen dem mittleren Schenkel 5 und dem Joch 7 so angeordnet,
daß der Teil 11 des mittleren Doppelschenkels 5 in einer Spitze 10 endet,
während das andere Ende des Schenkelteiles einen rechteckigen Abschluß 12 erhält.
Die beiden Schenkelteile des mittleren Doppelschenkels 5 sind hierbei umgekehrt
angeordnet, d. h., an der Stelle, an der der Doppelschenkel in das obere Jochteil
übergeht, weist der eine Schenkelteil 11 eine Spitze 10 auf, während der andere
in dem ebenen rechteckigen Endteil 12 endet, und umgekehrt. Die Spitze 10 hat die
Form eines gleichschenkligen Dreiecks, welches an dem Teilschenkel 11 anschließt.
Die beiden Teile 14 und 15 des Doppeljochs 7 sind an der Seite, an der sie an das
Verbindungsstück anstoßen, schräg abgeschnitten. Die entsprechenden Jochbleche 14'
und 15' auf der anderen Seite sind ebenfalls abgeschrägt und weisen entgegengesetzte
Winkel zu dem Verbindungsstück auf.
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Die Verbindungsstücke zwischen dem mittleren Schenkel 5 und den Jochen
7 und 8 sind von gleicher Form und werden nur im oberen und unteren Joch spiegelbildlich
verkehrt zueinander eingesetzt. Die einzelnen Verbindungsstücke überlappen sich,
wie aus den ausgezeichneten bzw. gestrichelten Linien in Fig. 2 hervorgeht, gegenseitig.
Dadurch weist die magnetische Orientierung der Einsätze 9 in übereinanderliegenden
Blechen entgegengesetzte gleiche Winkel zum mittleren Schenkel und den Jochpartien
auf, so daß der magnetische Fluß in einer zeitlichen Phase die geradzahligen Einsatzstücke
bevorzugt durchsetzt, während er in einer anderen zeitlichen Phase die ungeradzahligen
Verbindungsstücke bevorzugt durchfließt. Hierdurch bleibt die mittlere Flußdichte
an allen Stellen der Verbindungsstücke konstant, so daß sich beim periodischen Wechsel
des Flusses im Durchschnitt die gleiche Belastung an allen Stellen des Verbindungsstückes
ergibt.
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Die Umkehr oder Überlappung der Verbindungsstücke aufeinanderliegender
Bleche wird leicht durch Umdrehen der aufeinanderfolgenden Bleche erreicht.
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Die Stöße an den äußeren Ecken des Magnetkerns, an denen die Außenschenkel
mit den Jochteilen zusammenstoßen, können an und für sich beliebige
Form
haben, sie können z. B. als überlappende Gehrstöße ausgebildet sein. Die L'berlappung
ist in Fig. 2 durch die Bezugsziffer 16 bezeichnet.
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Bei einer solchen Ausbildung der äußeren Stoßkanten sind jedoch die
Bleche in den verschiedenen Schichten nicht gleich; ein Satz Bleche hat relativ
lange äußere Schenkelteile und relativ kurze Jochteile, während der dazwischenliegende
Blechsatz relativ kurze äußere Schenkelteile und relativ lange Jochteile hat.
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Einer der Gründe, warum die Verbindung gemäß der Erfindung fast vollkommen
ausgeglichene magnetische Feldverhältnisse ergibt und eine Übererregung des Kerns
im Bereich der Verbindungsstücke vermieden wird, ist, daß die T-Verbindung des Magnetkerns
im wesentlichen die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat, dessen Basis an der
Stelle liegt, an der der mittlere Schenkel an das Joch stößt, während die Spitze
des Winkels an der äußeren Kante des äußeren Tochteils liegt. Dies geht am besten
aus der Fig.2 hervor, in der gezeigt ist, wie die entgegengesetzt geneigten Einsätze
9 aufeinanderl.iegender Bleche sich überlappen. Betrachtet man die übereinanderliegenden
Einsätze zusammen, so ergibt sich, daß sie eine verhältnismäßig breite Basis an
der Übergangsstelle zu dem mittleren Schenkel und einen spitzen Winkel an der äußeren
Kante des Jochs bilden. Da die Höhe dieses Dreiecks gleich der Länge der Basisseite
des Dreiecks ist (die Schenkelteile und die Jochteile haben gleiche Breiten und
Abstände), ist der Minimalabstand ieder Basisecke des Dreiecks von der gegenüberliegenden
Seite (ausgedrückt durch die Senkrechte, die von der gegenüberliegenden Seite aus
durch einen Eckpunkt der Basis gezogen wird) mindestens 86% der Basislänge und Dreieckhöhe.
Infolgedessen übersteigt die Flußdichte in diesem Dreieck niemals die maximale Flußdichte
im Hauptteil des I\-lagnetkerns, wenn der Fluß in einem äußeren Schenkel Null ist.
Unter diesen Bedingungen beträgt der magnetische Fluß in den beiden anderen Schenkeln
86% des Maximalwertes, und dieser Fluß muß durch das T-Verbindungsstück hindurchgehen.
Eine Nachprüfung zeigt, daß diese Bedingung auch für jedes einzelne Blech erfüllt
ist.
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Die dreieckförmige Form des Verbindungsstückes ermöglicht die Erzielung
eines einstufigen magnetischen Widerstandes für den Jochfluß, wenn der magnetische
Fluß durch den Mittelschenkel Null ist, d. h., der magnetische Fluß im inneren und
kürzeren Teilstück des Doppeljochs, welches an sich einen niedrigeren magnetischen
Widerstand aufweist, geht durch den Teil des Einsatzstückes, der einen höheren magnetischen
Widerstand aufweist, während der magnetische Fluß in dem äußeren und längeren Jochteilstück
des Doppeljochs, welches an und für sich einen höheren magnetischen Widerstand als
das innere Jochteilstück aufweist, durch den relativ schmalen oberen Dreieckteil,
der einen kleineren magnetischen Widerstand hat, geht. Hierdurch wird eine weitere
ausgleichende Wirkung auf die Verteilung des Magnetfeldes erzielt.
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Der Vorteil der T-Verbindung gemäß der Erfindung gegenüber der älteren
Anordnung hinsichtlich der Eigenschaften des magnetischen Kreises wird durch die
Fig.3 veranschaulicht. Hier ist in ausgezogenen Linien ein Teil des magnetischen
Kreises einer Blechschicht des Kerns gemäß der älteren Anordnung dargestellt für
den Fall, daß kein Fluß in einem der äußeren Schenkel des Kerns besteht. Jochteil
17 und Mittelschenkel 18 sind durch das Einsatzglied 19 verbunden. Mittelschenkel
und Joch sind nicht geschlitzt. Ein Aufschlitzen dieser Teile würde jedoch keinen
merkbaren Effekt auf die im folgenden beschriebenen Bedingungen haben. Die relative
Größe und die Form des Schenkels 18, des Jochs 17 und des Einsatzstückes 19 stellen
den mittleren magnetischen Weg unter Einbeziehung des Einflusses aufeinanderfolgender
Schichten der Kernteile mit verschiedenen Größen und Formen, welche zur Herstellung
überlappender Verbindungen erforderlich sind, dar. Über die Stelle kleinster Breite
der T-Verbindung ist die gestrichelte Linie A gezogen. Die Länge dieser Strecke
A ist daher proportional dem minimalen Querschnitt der T-Verbindung und umgekehrt
proportional zur Flußdichte in der T-Verbindung. Die strichpunktierten Geraden B
und C sind demgegenüber kennzeichnend für den Magnetkreis des Kerns gemäß der Erfindung
unter den gleichen Bedingungen, wobei der Einfluß aufeinanderfolgender Schichten
zueinander in der Lage umgekehrter Kernteile einbezogen ist. Die strichpunktierte
Strecke B zwischen der Spitze des Einsatzgliedes 19 und der oberen linken Ecke des
Schenkels 18 stellt die Grenzlinie der Gesamtanordnung für den Magnetkreis des Kerns
gemäß der Erfindung dar. Die strichpunktierte Gerade C, die senkrecht zur Geraden
B verläuft, entspricht der minimalen Breite der T-Verbindung gemäß der Erfindung
und ist infolgedessen proportional dem minimalen Querschnitt der erfindungsgemäßen
T-Verbindung und umgekehrt proportional zur Flußdichte in dem Kern bzw. in der T-Verbindung
gemäß der Erfindung. Da die Strecke C größer ist als die Strecke A, ergibt sich
ohne weiteres, daß die Flußdichte in der T-Verbindung des Kerns gemäß der Erfindung
kleiner ist als die Flußdichte in der T-Verbindung des Kerns gemäß der älteren Anordnung.
Daraus folgt, daß die Gefahr der Übererregung in den Teilen des Kerns innerhalb
der T-Verbindung des Kerns gemäß der Erfindung geringer ist. Eine Abnahme der Flußdichte
in der Verbindung des Kerns ist erwünscht, um einen ausgeglichenen magnetischen
Kreis zu erhalten und um die Verluste in der Verbindung zu verringern.
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Die weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich
aus der Geometrie der Einzelteile. Da die Höhe der Einsätze gemäß der Erfindung
nur 86% der Breite der einzelnen Kernblechteile beträgt, können die Einsätze aus
dem gleichen Standardblechmaterial geschnitten werden wie die übrigen Blechteile
des Magnetkerns. Die Verwendung weiteren nicht standardisierten Blechmaterials,
wie es bei der älteren Anordnung zur Herstellung der Einsätze benötigt wird, ist
daher nicht erforderlich.
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Weiterhin können sowohl alle Teile des Mittelschenkels mit einem rechtwinklig
abschließenden Ende und einem zugespitzten Ende wie auch alle Einsatzglieder gleichgeformt
sein. Während zur Überlappung zwischen den Verbindungen aufeinanderfolgender Schichten
bei der älteren Anordnung die Einsatzglieder aufeinanderfolgender Schichten verschiedene
Abmessungen haben müssen, werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung gleichgeformte
und bemessene Teile des Mittelschenkels des Kerns sowie die Einsatzglieder in aufeinanderfolgenden
Schichten des Kerns in ihrer Lage einfach umgekehrt.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß bei der Anordnung gemäß der Erfindung
die an allem Jochteilen durchzuführenden Schnitte einfache Schrägschnitte sind und
daß die an den Teilen des Mittelschenkels des Kerns durchzuführenden Schnitte entweder
rechtwinklige Schnitte oder symmetrisch zueinander
liegende Schrägschnitte
für die zugespitzten Teile sind.
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Infolge der Vereinfachung der Formen für die verschiedenen Teile und
dadurch Vereinfachung des Schneidverfahrens ebenso wie infolge der Austausch-:)arkeit
der einzelnen Lamellen bzw. Blechteile in s,ufeinanderfolgenden Schichten kann ein
Magnetkern gemäß der Erfindung einfach und wirtschaftlich her-;estellt werden.