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Eisenkern für elektrische Induktiorsapparate Die Erfindung betrifft
einen aus Blechen mit magnetischer Vorzugsrichtung geschichteten Eisenkern für elektrische
Indutionsapparate, insbesondere Transformatoren, Drosselspulen o.dgl., bei dem die
Bleche benachbarter Schichtlagen mit schrägt zur Vorzugsrichtung verlaufenden Stoßkanten
an den Kernecken überlappt und dessen Jochbleche breiter als seine Schenkelbleche
ausgebildet sind, wobei der Eisenkern aus unterschiedlich gestalteten, wechselweise
oder periodisch wiederkehrenden Schichtlagen geschichtet ist.
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Es ist bekannt, Eisenkerne für Transformatoren aus warmgewalzten Blechen
herzustellen, wobei letztere in den Ecken des Eisenkerns eine 900/900-Überlappungszone
bilden. Mit dem Bestreben, Eisenkerne mit geringeren lee@rlaufverlusten herzustellen,
ging man zu kaltgewalzten Blechen über, die man zunächst ohne Überlappungszone mit
einem 450/450-Schnitt stumpf gestoßen hat, was zu einer relativ hohen Stoßreluktanz
führte. Die weitere Entwicklung ging dahin, bei einem 450/450-Schnitt für kaltgewalzte
Bleche einen ineinandergreifenden Verschachtelungsstoß mit Überlappungszone zu bilden,
der nur eine relativ niedrige Stoßreluktanz besitzt.
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Ein bekannter Eisenkern der eingangs genannten Art ist aus zwei unterschiedlich
gestalteten Schichtlagen aufgebaut, wobei die Stoßkante der einen Schichtlage von
der Außenecke des Kerns zu einem gegenüber der Innenecke versetzten Punkt und die
der anderen Schichtlage von der Innenecke des Kerns zu einem gegenüber der Außenecke
versetzten Punkt verläuft, wodurch zwischen den Stoßkanten benachbarter Schichtlagen
eine entsprechend breite Überlappungszone gebildet ist. Dabei bildet die Projektion
der Stoßkanten sämtlicher Jochbleche ebenso wie diejenige sämtlicher Schenkelbleche
zwei nicht zusammenfallende Linien. Die Stoßkanten zwischen einem Jochblech und
dem Zugehörigen Schenkelblech der
gleichen Schichtlage sind also
gegenüber denjenigen der benachbarten Schichtlage zur Bildung einer Überlappungszone
versetzt. Da die Jochbleche des bekannten Eisenkerns breiter ausgeführt sind als
die Schenkelbleche, ist der bekannte ineinandergreifende VerschachtelungsstoB insofern
von Nachteil, als an den Außenecken des Eisenkerns an der Hälfte der Jochbleche
Dreiecke überstehen, und an den Innenecken des Kerns in den benäehbarten Schichtlagen
entsprechend ebenso große Dreiecke im Joch fehlen. Das führt dazu, daß der Eisenfüllfaktor
der Eisenkernecke geringer ist als derjenige der übrigen Teile, nämlich der Joche
und Schenkel. Da die an der Eisenkern-Außenseite überstehenden Dreiecke jeder zweiten
Schichtlage für die Induktion verlorengehen,@-und der Induktionsfluß den Weg über
die an den Eisenkern-Innenecken fehlenden Dreiecke nicht nehmen kann, führt der
bekannte Verschachtelungsstoß zu einer merklichen Verdichtung der Induktion vor
allem an den Randgebieten der Eisenkernecken. Damit ist eine Erhöhung der leerlaufverluste
des gesamten Eisenkerns und eine stärkere Erwärmung seiner Ecken verbunden. Bei
Betrieb der Joche und Schenkel des Eisenkerns im Gebiet der Sättigung sind die Kernecken
weit übergesättigt oder - umgekehrt ausgedrückt - bei Sättigung der Eisenkern.ecken.
befindet sich der übrige Kerl!, nämlich die-Joche und die Schenkel, weit unterhalb
des Sättigungsgebietes, was eine schlechte Materialausnutzung,insbesonere -in magnetischer
Hinsicht der Joeche und Schenkel bedeutet. Die an den äusseren Eisenkernecken abstehenden
Dreiecke jeder zweiten Schichtlage treten störend in Erscheinung und müssen nachträglich
durch einen zusätzlichen Schnitt, der das kornorientierte Gefüge der Eisenbleche
zusätzlich erschüttert und verschlechtert, beseitigt werden, sofern nicht-ein geknickter
Blechschnitt verwendet wird, der die Benutzung komplizierter und teurer Schneidwerkzeuge
voraussetzt.
Der magnetische Lärm von Transformatoren wird durch
Maxwell-'sehe Zugspannungen und durch magnetostriktive Längenänderung der Transformatorenbleche
verursacht. Der Lärm, der durch die magnetostriktiven Längenänderungen hervorgerufen
wird, läßt sich weder durch die Ölfüllung noch durch den Kessel herabsetzen, da
für die infragekommenden Frequenzen das Ö1 schallhart ist. Außerdem besteht die
Kesselwand aus schallhartem Material, das aber im Verhältnis zum Kern biegeweich
ist. Es ist bekannt, daß der Ort der Ursache für den magnetischen Transformatorenlärm
der Kern ist, so daß daher eine wirksame akustische Entstörung der Transformatoren
nur am gern selbst erfolgen kann. Die Magnetostriktiön kann nicht durch mechanische
Entkoppelungen des Kerns von den übrigen Tränsformatorenbestandteilen beseitigt
werden. Zur wirksamen akustischen Entstörung der Transformatoren ist es daher erforderlich,
den durch die magnetostriktiven Materialeigenschaften des Kernwerkstoffes bedingten
unvermeidbaren Anteil des Körper- und Luftschalls von dem durch die konstruktive
Ausbildung-des Kerns bewirkten, aber vermeidbaren Anteil zu trennen Außer den immer
auftretenden unvermeidbaren Verformungen des Kerns mit der doppelten Netzfrequenz)im-allgemeinen
in Europa 100 Hz, die das Minimum des Geräuschpegels eines Transformators festlegen,
treten infolge-der Obertöne des magnetostriktiven Spektrums" deren Frequenz ein
Vielfaches der doppelten Netzfrequenz ist, zusätzlich verformende Kräfte mit der
gleichen räumlichen Verteilung längs des Kerns auf. letztere sind normalerweise
allein wegen ihrer Kleinheit ungefährlich, stellen aber für den Fall, daß ihre Frequenz
in die Nähe einen der kritischen Resonnanzfrequenzen des Kerns kommt, in akustischer
Hinsicht gefährlich Schwingungserreger dar.
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Um die Kernresonnanzen zu verstimmen, ist es bekannt, die Verhältnisse
mittlerer Jochlänge zu mittlerer Schenkellänge,
Joeh@uerschnitt
zu Schenkelquerschnitt und Jochträgheitsmoment zu Schenkelträgheitsmoment zu verändern.
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Das Verhältnis von Jochlänge zu Schenkellänge ist bei Transformatoren
mit Rücksicht auf die Geräusche nicht ohne weiteres frei wählbar, weil-gerade dieses
Verhältnis die relative Nenn-Kurzschlußspannung wesentlich mit bestimmt, die wegen
der Kurzschlußfestigkeit des Transformators und der maximal zulässigen Kurzschlußströme
des Netzes einen bestimmten Betrag nicht wesentlich unter- und überschreiten darf.
Wollte man trotzdem eine akustische Entstörung des Transformators durch Änderung
des Verhältnisses von Jochlänge zu Schenkellänge vornehmen, so müßte man zur Erhaltung
der relativen Nenn-Kurzschlußspannung in dem verlangten. Bereich eine Transformatorwicklung
in Kauf nehmen, die hinsichtlich ihrer Wicklungsauslegung weit vom Optimum abweicht.
Auch sind der Transformatorenhersteller sowie sein Abnehmer im allgemeinen nicht
bereit, die durch die Änderung des Verhältnisses von. Jochlänge zu Schenkellänge
wegen der damit im allgemeinen verbundenen Erhöhung des Gewichtes des Eisenkerns
verbundene Erhöhung der leerlaufverluste in Kauf zu nehmen.
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Auch ist eine grenzenlose Änderung des Verhältnisses von Jochquerschnitt
zu Schenkelquerschnitt zur Verringerung der Transformatorengeräusche allein mit
Rücksicht auf wirtschaftliche Überlegungen nicht möglich.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Änderung des Verhältnisses
von Jochträgheitsmoment zu Schenkelträgheitsmoment zur akustischen Entstörung von
Transformatoren die einzig technisch und wirtschaftlich vernüftige Maßnahme darstellt.
Dazu liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Eisenkern für elektrische Induktionsapparate
zu schaffen,
dem die vorerv:ähnten Mängel nicht anhaften, der vielmehr
so beschaffen ist, daß er leerlaufverlust- und geräuscharm ist. Das wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß der Eisenkern aus im Vergleich zu den Kernabmessungen mittelgroßen
Schichtlagen (Figur 1) mit gleich breit (N) bemessenen Joch- und Schenkelblechen
und aus weiteren Schichtlagen (Figuren 2, 3, 4 und 5) mit gegenüber den Joch- und/oder
Außenschenkelblechen der mittelgroßen Schichtlagen (Figur 1) breiter (N + n) bemessen
Joch- und/oder Außenschenkelblechen besteht. Auf diese Weise gelangt man zu einem
Eisenkern, an dessen äußeren. Ecken keine vorstehenden Dreiecke vorhanden sind und
dessen innere Ecken keine Verlustdreiecke aufweisen. Die so beschaffenen Kernecken
führen die magnetische Induktion ungestört, so daß der gesamte Eisenkern im Betrieb,insbesondere
in magnetischer Hinsicht gleichmäßig ausgenutzt und belastet wird.
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Das Verhältnis von Jochträgheitsmoment zu Schenkelträgheits-Moment
ist in technisch und wirtschaftlich vernünftiger Weise in sehr weiten Grenzen beliebig
wählbar, so daß man dadurch die Transformatorengeräusche in Übereinstimmung mit
den Erfordernissen der Praxis sehr wirksam bekämpfen kann. Ein weiterer Vorteil
der Erfindung ist in der stark verbesserten Kernkühlung zu erblicken, die deswegen
sehr wirksam in Erscheinung tritt, weil wegen der kammartigen Ausbildung der Hälfte
der mit dem Kühl- und Isoliermedium in Verbindung stehenden Flächen eine vielfache
Vergrößerung der gesamten zur Verfügung stehenden Kern-Kühlfläche des Eisenkerns
zu erreichen ist.
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Nach einem wei4exen Merkmal der Erfindung sind die Schenkelbleche
benachbarter Schichtlageh gleich breit und ungleich lang, wahrend die Jochbleche
benachbarter Schichtlagen gleich
breit und gleich lang ausgebildet
sowie gegeneinander parallel versetzt sind, wobei die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen
parallel verlaufen.
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Zu einem gewissermaßen entgegengesetzt beschaffenen Eisenkern gelangt
man, wenn-weiterhin erfindungsgemäß die Jochbleche benachbarter Schichtlagen gleich
breit und ungleich lang, während die Schenkelbleche benachbarter Schichtlagen gleich
breit und gleich lang ausgebildet sowie parallel gegeneinander versetzt sind und
die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen parallel verlaufen.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die Joch- und Schenkelbleche
der einen Schichtlage gleich breit, während die Jochbleche der anderen Schichtlage
diejenigen der einen und weiteren nach oben und unteren, hingegen die Schenkelbleche
der weiteren. Schichtlage diejenigen der einen und anderen nach außen überragen,
wobei die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen sich an den inneren Kernecken berühren.
und zu den äusseren Kernecken strahlenförmig auseinanderlaufen.
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Ebenfalls zu einem gewissermaßen entgegengesetzt beschaffenen Eisenkern
gelangt man, wenn weiterhin erfindungsgemäß die Jochbleche der anderen Schichtlage
diejenigen der einen und weiteren und die Schenkelbleche der weiteren Schichtlage
diejenigen der einen und anderen nach innen überragen, wobei die Stoßkanten benachbarter
Schichtlagen sich an den äußeren Kernecken berühren und an den inneren Kernecken
strahlenförmig auseinanderlaufen.
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Vor allen. Dingen sieht die Erfindung die Verwendung von Eisenkernen
der vorstehend genannten Asten für die Einzelrahmen von Rahmenkernen vor. Durch
unterschiedliche Schichtung der einzelnen Schichtlagen gelangt `man dabei außer
zu den
schon angeführten Vorteilen zu verschieden gestalteten Kühlkanälen
zwischen den den Rahmenkern bildenden Einzelrahmen. Die Erfindung sei anhand mehrerer
in der Zeichnung schematisch und beispielsweise dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei zeigen.
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die Figuren 1 bis 5 verschieden gestaltete Schichtlagen
in Einzeldarstellung, die Figuren 6 bis 'f0 verschiedene als Vollkerne
ausgebildete Eisenkerne in Gesamtdarstellang, die Fi uren 11 und 12
zwei in ähnlicher Weise aufgebaute Rahmenkerne wie die Vollkerne nach den Figuren
.9 und 10 und die Figuren 13 bis16 unterschiedlich gestaltete Kühlkanäle
der Rahmenkerne nach den Figuren 11 und 12.
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In den Figuren 1 bis 5 sind verschieden. gestaltete Schichtlagen in
Einzeldarstellung gezeigt, durch deren Gesamt- oder Teilkombination die in den Figuren
1 bis 10 in Gesamtdarstellung gezeigten Eisenkerne geschichtet werden können. Die
mittelgroße Schichtlage nach Figur 1 bildet gewissermaßen die Vergleichsschichtlage
für die übrigen Schichtlagen nach den Figuren 2 bis 5; die Stoßkanten ihrer
Bleche verlaufen unter einem Winkel von 45o gegen die Walzrichtung geneigt. Alle
Bleche der Schichtlage nach Figur 1 haben die gleiche Blechbreite von N, so daß
von ihnen die Kernfenster mit der Höhe H und der Breite B eingeschlossen werden.
Die Schenkelbleche der Schichtlage nach Figur 2 besitzen ebenfalls die Breite N,
jedoch
die Jochbleche sind N + n; so daß die Stoßkanten zwischen Joch und Schenkelblechen
unter einem gegen die Walzrichtung von 450 abweichenden Winkel verlaufen. Die Schichtlage
nach Figur 3 besitzt ebenfalls Schenkelbleche von der Breite N und Jochbleche von
der Breite N + n, wobei die Jochbleche ebenso lang wie diejenigen nach Figur 2,
die Schenkelbleche jedoch kürzer als diejenigen nach Figur 2 ausgebildet sind, so
daß die Bleche dieser Schichtlagen Kernfenster von der Höhe H - h und der Breite
B einschließen. Bei der Schichtlage nach Figur 4 handelt es sich um eine solche,
bei der die Jochbleche und das mittlere Schenkelblech N breit sind, während die
beiden äußeren Schenkelbleche eine Breite von N + n besitzen. Diese Schichtlage
schließt ebenso wie diejenigen nach den Figuren 1 und 2 Kernfenster von der Höhe
H und der Breite B ein. Schließlich besitzt die Schichtlage nach Figur 5 ebenso
wie diejenige nach Figur 4 Jochbleche und ein Schenkelblech von der Breite N, während
die beiden äußeren Schenkelbleche eine Breite von N + n aufweisen, wobei von den
Blechen.gernfenster von der Höhe H und der Breite B - b eingeschlossen werden.
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Bei den als Vollkernen ausgebildeten Eisenkernen nach den Figuren
6 bis 10 handelt es sich um Gesamt- und Teilkombinationen der Schichtlagen nach
den Figuren 1 bis 5. Dabei zeigt die Figur: 6 einen Eisenkern, der aus Übereinanderschichten
aller Einzelschichtlagen nach den Figuren 1 bis 5 gebildet ist. Dagegen besteht
der Eisenkern nach Figur 7 aus den beiden Schichtlagen nach den Figuren 1 und 3,
während der Eisenkern nach Figur 8 aus den beiden Schichtlagen nach den Figuren
4 und. 5 gebildet ist. Die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen der Eisenkerne nach
den Figuren 'T und 8 verlaufen parallel zueinander. Der Eisenkern nach Figur 9 ist
aus den Einzelschichtlagen nach den Figuren 1, 2 und 4 gebildet, während der Eisenkern
nach der Figur 10 aus den breit
Einzelschichtlagen nach den Figuren
1, 3 und. 5 aufgebaut ist. Die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen verlaufen bei
dem Eisenkern nach Figur 9 von der inneren Kernecke aus strahlenförmig nach außen,
während die Stoßkanten benachbarter Schichtlagen des Eisenkerns nach Figur 10 von
den äusseren Kernecken strahlenförmig nach innen verlaufen.
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In den Figuren 11 und 12 sind zwei Rahmenkerne abgebildet. Jeder Einzelrahmen
des Rahmenkerns nach Figur 11 ist an seinen Kernecken so aufgebaut wie der Vollkern
nach Figur 10, während jeder Einzelrahmen des .Rahmenkerns nach Figur 12 so aufgebaut
ist, wie der Vollkern nach Figur 9. Die Verschachtelungsweise der Mittelschenkel
aller hier dargestellten Eisenkernewird nicht näher beschrieben, da die Erfindung
sich nicht darauf erstreckt.
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In den Figuren 13 bis 16 ist gezeigt, wie durch verschiedene Anordnungen
der einzelnen, den Rahmenkern bildenden Bleche verschieden-gestaltete.Kühlkanäle
zwischen den einzelnen Rahmen hergestellt werden können. Dabei zeigt Figur 13 einen
breiten Kühlkanal, Figur 14 einen schmalen Kühlkanal, während die Figur 15 und die
Figur 16 zwei etwa gleich große, aber unterschiedlich ausgebildete Kühlkanäle zeigen.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung
dargesllten Ausführungsbeispiele, weder auf die der Vollkerne noch auf die der Rahmenkerne,
beschränkt ist, vielmehr ist eine die Zahl der dargestellten Ausführungsbeispiele
weit übersteigende Kombinatiönsmöglichkeit aus den Schichtlagen nach den Figuren
1 bis 5 möglich..