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Aus kornorientierten Blechen geschichteter ebener, dreischenkliger
Spaltkern für Drehstromtransformatoren Die Erfindung bezieht sich auf einen aus
kornorientierten Blechen geschichteten ebenen dreischenkligen Spaltkern für Drehstromtransformatoren
mit in Achsrichtung der Schenkel und Joche vorzugsweise zweiteiligen Blechen und
schräggeschnittenen überlappungen der Kernecken, wobei im Mittelschenkel-Joch-Stoß
rechteckige Einlagestücke vorgesehen sind, deren eine Diagonale etwa mit der Schenkelachse
und deren andere Diagonale etwa mit der Jochmittellinie zusammenfällt.
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Nach dem heutigen Stand der Technik ist es notwendig, besonders die
Eisenkerne von Großtransformatoren ganz oder teilweise aus zwei Teilblechen je Kernbreite
aufzubauen, weil das üblicherweise verwendete kornorientierte Blech in Rollen angeliefert
wird, deren Breite kleiner ist als der erforderliche Kerndurchmesser. Durch diese
Teilung ergeben sich besonders im Mittelschenkel-Joch-Stoß ungünstigere Magnetisierungsverhältnisse,
sofern man die bei ungeteilten Blechen übliche Schichtart beibehält; die Längsteilungen
der Bleche bilden dann stumpfe Stoßfugen, d. h. längs durch das Blechpaket verlaufende
Luftspalte und somit erhöhte magnetische Widerstände für den Fluß.
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Um diese Verschlechterung der magnetischen Verhältnisse zu vermeiden,
sind bereits verschiedene Lösungen mit Einlagestücken (Zwickelblechen) bekannt,
die durch geeignete Verschachtelung im Mittelschenkel-Joch-Stoß durch das Blechpaket
verlaufende Luftspalte vermeiden. Die Einlagestücke bestehen entweder aus warmgewalztem
oder aus kornorientiertem Blech, das in verschiedenen Schichten mit jeweils anderer
Orientierungsrichtung eingelegt ist, so daß die Orientierungsrichtungen der übereinanderliegenden
Zwickelbleche jeweils um einen bestimmten Winkel gegeneinander gedreht sind. Die
Notwendigkeit für diese Art des Einlegens der Zwickelstücke wird aus der Vorstellung
drehender Magnetisierung infolge des Zusammenkommens dreier um 120° zeitlich versetzter
Flüsse innerhalb des Mittelschenkel-Joch-Stoßes hergeleitet. Man möchte auf diese
Weise erreichen, daß der sich räumlich drehend gedachte Fluß möglichst zu jedem
Zeitpunkt annähernd gleiche magnetische Widerstände vorfindet.
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Für den Fall, daß die Einlagestücke nur in der fertigungstechnisch
erstrebenswerten Zweilagenschichtung gelegt werden, wobei speziell nur zwei um 90°
gegeneinander gedrehte Walzrichtungen auftreten, hat sich gezeigt, daß unter der
Annahme drehender Magnetisierung eine solche Schichtung entweder nur unwesentliche
oder kaum bessere Ergebnisse zeitigt, als wenn alle Bleche in gleicher Orientierungsrichtung
übereinandergelegt werden. Man kommt nämlich unter Berücksichtigung der Tatsache,
daß bei gleicher Induktion quer zur Walzrichtung der magnetische Spannungsabfall
mindestens zehnmal und die Verluste etwa dreimal so groß sind wie bei einer Induktion
in Walzrichtung, zu dem Ergebnis, daß in den über Kreuz gelegten Zwickelblechen
je nach Größe der Induktion entweder etwas geringere, gleiche oder etwas höhere
Verluste entstehen, als dem arithmetischen Mittel aus alleiniger Längs- oder Quermagnetisierung
entspricht. Es bringt also unter der Annahme, daß in dem Mittelschenkel-Joch-Stoß
eine echte drehende Magnetisierung erfolgt, eine aus nur zwei verschiedenen Lagen
bestehende, um 90° versetzte Zwickelblech-Schichtung keinen nennenswerten Erfolg
gegenüber einer Schichtung mit Zwickelblechen, die alle die gleiche Orientierungsrichtung
aufweisen.
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Will man nun das Verlustverhalten eines Rahmenkerns durch geeignete
Einlagestücke verbessern, so wird der Erfolg optimal, wenn man folgende Erkenntnis
berücksichtigt: Beim Rahmenkern können die magnetischen Widerstände zwischen den
einzelnen, völlig getrennten Kernteilen als unendlich groß angenommen werden. In
F i g. 1 a, die einen Drehstromrahmenkern mit eingetragenen Zählpfeilen für die
Flüsse zeigt, und in F i g. 1 b mit dem zugehörigen Zeigerdiagramm bedeuten 01,
#p2 und 03 die Flüsse in den einzelnen Kernteilen und 01, 011 und 0,1, die entsprechenden
Summenflüsse. Die Rahmenflüsse sind nur um den Betrag 1/cos 301-1 = 15,5% größer
als bei gleichmäßiger Flußverteilung in den jeweils beiden Schenkelhälften ohne
Flußaufspaltung.
Durch eine geeignete Verschachtelung im Mittelschenkel-Joch-Stoß
kann für die Flüsse ein Ausgleichsweg derart geschaffen werden, daß in den Schenkeln
ein Minimum an Verlusten entsteht. Dies ist dann der Fall, wenn beide Teilflüsse
je Schenkel etwa gleich groß sind und die Größe des halben der angelegten Schenkelspannung
entsprechenden Flusses haben. Richtung und Größe der dazu erforderlichen Ausgleichsflüsse
(Ph, 'DIIa und 01,1, sind in den F i g. 1 a bzw. 1 b eingezeichnet. Im Mittelschenkel-Joch-Stoß
müssen demzufolge einerseits zwischen den einzelnen Rahmen für die Ausgleichsflüsse
magnetisch gut leitende Brücken geschaffen werden, andererseits müssen die Rahmenkernflüsse
besonders an den Querschnittsstellen A, B und C möglichst ungestört verlaufen
können, d. h. möglichst ohne Querschnittsschwächung und ohne das Blech querzumagnetisieren.
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Bei den bereits bekanntgewordenen Lösungen kommen, wie schon erwähnt,
Zwickelbleche ähnlich den genannten Einsatzstücken zur Anwendung.
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So ist z. B. bekannt, an der Stelle des Mittelschenkel-Joch-Stoßes
je drei Zwickelbleche vorzusehen, die, ähnlich der vorliegenden Erfindung, in aufeinanderfolgenden
Blechschichten gegeneinander verdreht eingeschichtet sind. Da sie jedoch nicht im
magnetischen Sternpunkt liegen, betragen die sich ausbildenden Teilflüsse zwischen
den Zwickelblechen analog einer elektrischen Dreieckschaltung das 1/1'3fache des
durch den Gesamtquerschnitt fließenden Magnetisierungsflusses. Die Summe der Teilflüsse
ergibt also relativ hohe Verluste. Ganz abgesehen davon verursacht diese Lösung
einen unverhältnismäßig hohen Fertigungsaufwand.
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Ferner sind Lösungen bekannt, bei denen die Zwickelbleche über den
gesamten Querschnitt des Rahmenjoches reichen. Hier tritt aber der längs dem Joch
verlaufende magnetische Fluß auf zwei Blechstöße, während er in der vorliegenden
Erfindung nur einen Stoß vorfindet. Hierdurch ergeben sich aber zusätzliche Verluste,
die die vorliegende Erfindung vermeidet.
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Die Aufgabe besteht also darin, die Zahl der einen zusätzlichen Verlust
verursachenden Blechstöße optimal zu halten, d. h. in den Flußpfad nicht mehr Übergangsstellen
von einem Blech zum anderen zu legen als nötig und zu ermöglichen, daß beide Teilflüsse
je Schenkel etwa gleich groß sind und die Größe des halben der angelegten Schenkelspannung
entsprechenden Flusses haben, was ein Minimum an Verlusten begünstigt. Sie wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einlagestücke in ihren Abmessungen untereinander
gleichen, daß die Diagonalen des Rechteckes eine Länge von etwa 50 bis 60% der zugehörigen
Schenkel- bzw. Jochpaketbreite aufweist und daß die mit gleicher Orientierungsrichtung
in den aufeinanderfolgenden Lagen wechselweise geschichteten Einlagestücke geringfügig
gegeneinander verdreht sind.
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Dabei kann die Orientierungsrichtung der Einlagestücke parallel oder
schräg zur Joch- oder zur Schenkelachse verlaufen. Ferner können sich in zweckmäßigen
Ausführungsformen die Orientierungsrichtungen übereinanderliegender Einlagestücke
kreuzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 2 a und 2 b gezeigt.
Es bezieht sich auf einen dreischenkligen Spaltkern, bestehend aus je zwei Blechen
in jedem Schenkel und jedem Joch. Es ist ersichtlich, daß der vollständig geschichtete
Kern aus nur zwei voneinander abweichenden Schichtlagen besteht, die in bekannter
Weise aufeinanderfolgen. Wie F i g. 2 a zeigt, ist für die Verzapfung der Ecken
und den Anschluß des Mittelschenkels jeweils der sogenannte 40/50°-Stoß gewählt.
Das gleiche gilt auch für die Lage 2 gemäß F i g. Z b. Hier sind gestrichelt noch
die Schnittkanten zu erkennen, die sich bei den Blechen der Lage 1 ergeben. Das
rechteckige Einlagestück, dessen eine Diagonale möglichst mit der Richtung der Mittelachse
bzw. mit der Richtung der Teilungsfuge der Joche übereinstimmt, ist mit E bezeichnet.
Insbesondere F i g. 2 b zeigt, daß die jeweiligen überlappungsflächen verhältnismäßig
klein sind, und es ergibt sich allein schon daraus, daß praktisch alle Kernpartien
magnetisch gleichwertig gestaltet und im Sinne der Erfindung magnetisch gleichberechtigt
ausgebildet sind.
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Die zweilagige überlappungsart des Mittelschenkel-Joch-Stoßes gemäß
der Erfindung stellt ein Optimum aus den an sich einander widersprechenden Forderungen
dar, daß im Mittelschenkel-Joch-Stoß einerseits zwischen den einzelnen Rahmen für
die Ausgleichsflüsse magnetisch gut leitende Brücken geschaffen werden, andererseits
aber die Rahmenkernflüsse besonders an den Ouerschnittsstellen A, B
und C
möglichst ungestört verlaufen können müssen, d. h. ohne Querschnittsschwächung und
ohne Quermagnetisierung des Bleches. Das auf einer Spitze stehende rechteckige Einlageblech
E ist in der Diagonale mit etwa 50 bis 60% der sonstigen Schenkelbreite ausgebildet,
damit der darin verlaufende Ausgleichsfluß keine höheren Induktionen als der normale
Fluß im Schenkel hervorruft. Der Querschnitt des äußeren Rahmens bleibt an der kritischen
Stelle A etwa zu 50% völlig ungestört. Die anderen beiden kritischen Stellen B und
C der Innenrahmen sind durch die Einlagestücke überhaupt nicht nennenswert gestört.
Alle Schenkel und Jochbleche sowie die Einlagestücke sind miteinander im Schrägschnitt,
beispielsweise im 40/50°-Schnitt überlappt, so daß ein Minimum an überlappungsflächen
entsteht, an denen Bleche mit anderen Orientierungsrichtungen übereinanderliegen.
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Ein weiterer Verlustvorteil wird dann erreicht, wenn auch die Einlagestücke
aus kornorientierten Blechen stets die gleiche Orientierungsrichtung aufweisen,
wobei besonders eine Orientierung parallel zur Jochachse optimal ist; denn dann
wird der Rahmenkernfluß an der Stelle A praktisch überhaupt nicht gestört, und das
Einlagestück wird nur durch die Ausgleichsflüsse der Außenschenkel quermagnetisiert.
Fast ebenso optimal werden die Verhältnisse, wenn die Orientierungsrichtung der
Einlagestücke parallel zur Mittelschenkelachse verläuft. Dann muß zwar der äußere
Rahmenkernfluß an der Stelle A die Einlagestücke E in ihrer oberen Hälfte quermagnetisieren,
dafür finden aber die Ausgleichsflüsse der Außenschenkel in den Einlagestücken beste
Magnetisierungsverhältnisse vor.
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Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptvorteil der Schichtart gemäß
der Erfindung darin, daß in den zwei verschiedenen Lagen möglichst viele übereinanderliegende
Bleche aus kornorientierten Blechen gleiche Orientierungsrichtung aufweisen, um
eine gleichmäßige Flußverteilung über allen Lagen zu erzielen, womit auch verlusterhöhende
Querflüsse senkrecht
zur Blechebene auf ein Minimum reduziert werden.
Der weitere Vorteil liegt darin, daß der F1uß definiert geführt ist und Stellen
hoher Induktion im Querschnitt weitgehend ungeschwächt bleiben. Das Einlagestück
nimmt nur etwa 15 % der gesamten überlappungsfläche am Mittelschenkel-Joch-Stoß
ein, so daß die günstigen Verhältnisse der ganzen Schichtart nur gering gestört
werden, wenn die Zwickel nicht optimal orientiert geschichtet, also gegebenenfalls
auch über Kreuz orientiert oder gemeinsam schräg in der Stoßstelle orientiert sind,
so daß die Kanten der Einsatzstücke selbst parallel zur Orientierungsrichtung verlaufen.