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Ferromagnetischer Schichtkern Es sind Zweischenkelschichtkerne bekannt,
die ein 1,3- bis 1,8fach, vorzugsweise 1,5fach, gegenüber den Schenkeln verstärktes
Joch aufweisen und Stoßfugen, die in den Kernschenkeln in einer Entfernung von 0,25-
bis 0,12-, vorzugsweise 0,15facherKernschenkellänge von den Kernschenkelmitten entfernt
liegen und senkrecht zur Schenkelkante über die volle Schenkelbreite verlaufen.
Solche Schichtkerne sind bekanntermaßen mit jochverstärkten, verschieden lange Schenkel
aufweisenden U-Blechen (Fig. 1) oder - allerdings weniger praktisch - mit U/U-Paaren
(Fig. 3) von jochverstärkten U-Blechen mit jeweils gleich langen Schenkeln geschichtet.
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Es sind ferner Schichtkerne vorgenannter Art bekannt, die vorzugsweise
im Inneren noch zusätzliche Blechlagen gleichen Umrisses und Fensters enthalten,
von denen jede Blechlage ebenfalls nicht mehr als zwei Stollfttgen aufweist, wobei
diese erst in gerader Verlängerung der Kernschenkelinnenkante in das verbreiterte
Kernjoch treten und dann nach außen derart abgewinkelt verlaufen, daß sie an einer
Kernjochabschrägung enden. Solche zusätzlichen Blechlagen sind bekanntermaßen mit
jochverstärkten L-Blechen (Fig. 2) geschichtet, deren Jochende innen eine senkrecht
zur Richtung des Joches verlaufende Kante aufweist und außen in eine Spitze ausläuft,
oder mit U/Y-Paaren (Fig.4) von je einem jochverstärkten U-Stück mit gleichlangen
Schenkeln, in dessen zugespitzte Blechschenkelenden sich ein passendes Y-Jochstück
einfügt.
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Die genannten Kerne wurden bisher je nach Verwendungszweck aus einem
der üblichen ferromagnetischen Materialien aufgebaut, z. B. aus warmgewalztem Siliziumeisen,
aus kaltgewalztem Siliziumeisen oder aus Eisennickellegierungen. Die vorliegende
Erfindung schlägt vor, diese Kerne in einer charakteristischen `'eise durch gemeinsame
Verwendung verschiedener Materialien aufzubauen.
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Nach dem Stand der Technik sind bereits ferromagnetische Schichtkerne
bekannt, die Lamellen verschiedener Permeabilität enthalten. Durch zwei ältere Patentschriften
ist es z. B. bekannt, einen Kern gemeinsam z. B. aus Lamellen aus einer Eisennickellegierung
und Lamellen aus Siliziumeisen aufzubauen. Dabei ist vorgeschlagen, daß jedes Blech
höherer Permeabilität zwischen Blechen aus Siliziumeisen angeordnet ist und die
Bleche aus Siliziumeisen durch Glühung eine isolierende Schicht erhalten. Diese
bekannte Maßnahme erreicht den Zweck, für den gesamten Kern eine Magnetisierungskurve
zu erzielen, die ungefähr dem Mittelwert der Magnetisierungskurven der beiden Materialien
für sich entspricht. Dabei ist die Verwendbarkeit von unisolierten Blechen aus Eisennickellegierungen
eine willkommene Fabrikationsvereinfachung. Für die Kerne von Netztransformatoren,
Breitbandübertragern und ähnlichen induktiven Vorrichtungen sind zwei Arten von
silizium- oder aluminiumlegierten Eisenblechen gebräuchlich: das nicht kornorientierte,
warmgewalzte Blech praktisch ohne magnetische Vorzugsrichtung und das kornorientierte,
kaltgewalzte Blech, das parallel zur Walzrichtung eine magnetische Vorzugsrichtung
mit nur äußerst geringer Magnetisierungsleistung und Verlustleistung aufweist, das
aber viel teurer ist als das warmgewalzte Blech. Es ist bekannt, die obengenannten
Zweischenkelschichtkerne aus warmgewalztem oder kaltgewalztem Siliziumeisenblech
zu fertigen.
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Bei der ausschließlichen Verwendung von nicht kornorientiertem, warmgewalztem
Blech besteht die Schwierigkeit. daß die Bleche mit geringem Silizium-bzw. Aluminiumgehalt
zwar geringe Magnetisierungsleistungen erfordern, die hohe Induktionen zu erzielen
gestatten, daß aber diese Bleche hohe Eisenverluste (11o=2,3 bis 3,0 W/kg) aufweisen,
so daß die hohen Induktionen nicht ausnutzbar sind. Die Bleche mit hohem Silizium-
bzw. Aluminiumgehalt haben umgekehrt zwar geringe Eisenverluste (11o =1,0 bis 1,5
W/kg), erfordern aber so hohe Magnetisierungsleistungen, daß hier aus diesem Grunde
keine hohen Induktionen benutzbar sind.
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Die ausschließliche Verwendung von kornorientierten, kaltgewalzten
Blechen ermöglicht dagegen eine Steigerung der Induktion bis an die durch die Sättigung
überhaupt gegebene Grenze. Sogar bei diesen hohen Induktionen bleiben die Magnetisierungsleistung
und Verlustleistung noch wesentlich kleiner, als es für den Betrieb - im Vergleich
zum strombedingten Kupferverlust - erforderlich wäre. Zudem ist im praktischen Betrieb
immer mit unvorhersehbaren Überspannungen und gelegentlicher Verringerung der Frequenz
zu rechnen, so daß im Normalbetrieb ohnehin ein Sicherheitsabstand von der Sättigungsgrenze
eingehalten werden muß. Die ausschließliche Verwendung von kornorientierten, kaltgewalzten
Blechen
führt dabei zu einer solchen Verteuerung, daß trotz dieser technisch hervorragenden
Eigenschaften solche Kerne aus kaltgewalztem Material nicht in dem an sich rein
technisch möglichen Maß eingesetzt werden können. Überdies wirken sich Befestigungslöcher
im Joch bei ausschließlicher Verwendung von kornorientierten, kaltgewalzten Blechen
sehr ungünstig aus.
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Die Schwierigkeit besteht also darin, daß die warmgewalzten Bleche
keine hohe Induktion erreichen, während die kostspieligen kaltgewalzten Bleche nicht
voll ausgenutzt werden können. Die Erfindung macht von der Möglichkeit Gebrauch,
durch gemeinsame Verwendung beider Materialien besonders günstige Eigenschaften
zu erzielen. Dabei besteht das Problem, einen hierfür geeigneten Kern zu finden.
Die Erfindung löst dieses Problem durch den Aufbau eines Zweischenkelschichtkerns
aus gemeinsam geschichteten Blechlagen der eingangs beschriebenen Art mit Stoßfugen
in den Schenkeln und in den Jochen (wie z. B. in den Fig. 1 und 2 dargestellt),
wobei in ganz bestimmter Weise ein Teil der Blechlagen aus nicht kornorientierten,
warmgewalztem und ein Teil der Blechlagen aus kornorientiertem, kaltgewalztem Material
besteht. Hinausgehend über die aus den beiden Materialqualitäten für sich zu erwartenden
Eigenschaften weist ein solcher Kern überraschende Vorteile auf, sowohl hinsichtlich
seiner Materialausnutzung als auch hinsichtlich seiner geringen magnetischen Ausstreuung.
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Beim Erfindungsgegenstand ist bei noch ausreichend geringen Magnetisierungsleistungen
und Verlustleistungen die im Normalbetrieb praktisch ohnehin nicht überschreitbare
Induktion nutzbar. Dies ist dadurch erreicht, daß in Schichtkernen der eingangs
genannten Art, die sowohl aus Kernblechen mit den Stoßfugen in den Schenkeln (Fig.
1 bzw. 3) als auch aus solchen mit den Stoßfugen in den Jochen (Fig. 2 bzw. 4) bestehen,
die Blechlagen mit den Schenkelstoßfugen aus nicht kornorientierten, warmgewalzten
Blechen bestehen und die zusätzlich benutzten Kernbleche mit den jochstoßfugen aus
kornorientierten, kaltgewalzten Blechen bestehen, deren magnetische Vorzugsrichtung
parallel zu den Schenkeln gelegt ist, bei einem Y-Stück zweckmäßig parallel zum
Joch. Hierbei liegt in der Regel immer eine solche Blechlage aus kornorientiertem,
kaltgewalztem Blech zwischen zwei solchen Blechlagen aus nicht kornorientiertem,
warmgewalztem Blech. Am geeignetsten ist hierbei eine fortwährend abwechselnde Schichtung
von Schichten mit verschiedener Lage der Stoßfugen (etwa gemäß Fig. 5:
... a, b, c, d a, b, c, d ... ), wobei vorteilhaft
- wie auch sonst bei Erfordernis extrem geringer magnetischer Ausstreuung - als
äußerste Lagen immer nur Blechlagen mit Schenkelstoßfugen benutzt sind. Werden hierbei
kaltgewalzte Bleche mit beidseitiger Lamellenisolation benutzt, so können die warmgewalzten
Bleche beidseitig völlig blank bleiben (oder auch umgekehrt), was den Eisenfüllfaktor
erhöht und die Fabrikation wesentlich vereinfacht.
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Die erfindungsgemäß fortlaufende Abwechslung von Schnittform und Material
ergibt einen besonders günstigen Kraftflußaustausch zwischen den unterschiedlichen
Lagen, so daß sich in mehrerlei Hinsicht besonders günstige Verhältnisse ergeben.
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Die 'Mitverwendung von Kernblechlagen mit Jochstoßfugen aus kornorientierten,
kaltgewalzten Blechen senkt auch bei dünnen kornorientierten, kaltgewalzten Blechen
die Eisenverluste (Hysterese- und Wirbelstromverluste) so stark, daß die Kernblechlagen
mit Schenkelstoßfugen etwa aus vergleichsweise starkem, nicht kornorientiertem,
warmgewalztem Blech mit besonders geringem Silizium- oder Aluminiumgehalt bestehen
können. Die bei solchem Blech geringeren Magnetisierungsleistungen ermöglichen eine
insgesamt sehr hohe Betriebsinduktion, wobei derartige nicht kornorientierte, warmgewalzte
Blechschnitte auch noch besonders billig werden.
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Wenn z. B. für die Kernbleche aus nicht kornorientiertem, warmgewalztem
Blech die hierfür meistgebräuchliche Blechstärke von 0,50 mm und für die Kernbleche
aus kornorientiertem, kaltgewalztem Blech die hierfür meistgebräuchliche Stärke
von 0,35 mm benutzt wird, ergibt sich somit insgesamt ein Kern mit etwa 601% warmgewalztem
Blech und nur etwa 40°/o kaltgewalztem Blech. Bei einer solchen Querschnittverteilung
ist der magnetische Widerstand der Schenkelstoßfugen noch sehr beachtlich, während
sich in den Jochen noch praktisch kein Stoßfugeneinfluß bemerkbar macht. Da bei
derartigen Kernen gerade die erhöhten magnetischen Spannungen an den Schenkelstoßfugen,
wie festgestellt wurde, eine extrem geringe magnetische Ausstreuung bewirken, während
Jochstoßfugen die magnetische Ausstreuung steigern, wird somit bei erfindungsgemäßer
Mitverwendung von dünneren kornorientierten, kaltgewalzten Blechen mit jochstoßfugen
die magnetische Ausstreuung nur wenig erhöht, während die Magnetisierungsleistung
aus folgenden Gründen stark abfällt: Im verbreiterten Joch stören die Jochstoßfugen
der Blechlagen aus den kornorientierten, kaltgewalzten Blechen schon deshalb weniger,
da im Joch der Kraftfluß ohnehin senkrecht zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft
und sich dadurch ähnliche Verhältnisse wie in nicht kornorientierten, warmgewalzten
Blechen ergeben. Infolge der Verbreiterung der Joche vermögen bereits die Blechlagen
aus den nicht kornorientierten, warmgewalzten Blechen den größten Teil des Kraftflusses
ohne nennenswerte Magnetisierungsleistungen und Verlustleistungen aufzunehmen.
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In den viel höher beanspruchten Schenkeln, in denen die Blechlagen
aus kornorientierten, kaltgewalzten Blechen ohne Schenkelstoßfugen mit ihrer Vorzugsrichtung
parallel zum Schenkel liegen, läuft jedoch der Kraftfluß bevorzugt in den kornorientierten,
kaltgewalzten Blechlagen, die dadurch nahezu bis zur Sättigung ausgenutzt werden.
Hierdurch werden im Normalbetrieb die Blechlagen aus dem nicht kornorientierten,
warmgewalzten Blech stark entlastet, so daß insgesamt die Magnetisierungsleistungen
und Verlustleistungen gering bleiben. Bei gelegentlicher Überspannung und Verringerung
der Frequenz bieten die entlasteten Blechlagen aus dem nicht kornorientierten, warmgewalzten
Blech immer noch eine hinreichende Reserve.
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Die Anbringung von Befestigungslöchern im Joch ist bei der erfindungsgemäßen
Kombination von kornorientierten, kaltgewalzten und nicht kornorientierten, warmgewalzten
Blechen nicht so störend wie bei der ausschließlichen Benutzung von kornorientierten,
kaltgewalzten Blechen.
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Dieses Zusammenwirken der nicht kornorientierten, warmgewalzten Bleche
in den Kernblechlagen mit Schenkelstoßfugen schon mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz
kornorientierten, kaltgewalzten Bleches in den Kernblechlagen mit Jochstoßfugen
ergibt somit einen Schichtkern, der hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit den teuren
Kernen aus nur kornorientierten, kaltgewalzten Blechen und hinsichtlich
seiner
Wirtschaftlichkeit den billigen Kernen aus nur nicht kornorientierten, warmgewalzten
Blechen nahekommt. So kann z. B. ein Kern mit warmgewalztem Blech DIN III von 0,5
mm Stärke und kaltgewalztem Blech mit Vio = 0,6 W/kg und 0,35 mm Stärke mit einer
Induktion bis über 17 kGauß betrieben werden, wobei er bereits billiger ist als
ein Kern mit nur warmgewalztem Blech DIN IV von 0,35 mm.