DE2062224A1

DE2062224A1 - Eisenpaket oder Kern

Info

Publication number: DE2062224A1
Application number: DE19702062224
Authority: DE
Inventors: Ing Dornbirn Wiesner Ernst (Osterreich)
Original assignee: ZUMTOBEL W
Current assignee: ZUMTOBEL W
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1970-12-17
Publication date: 1971-07-01
Also published as: AT304692B; US3646493A; FR2072086B1; CH520395A; NO125833B; NL7018302A; ES200787U; SE366604B; FR2072086A1; GB1332489A; ES200787Y; JPS4939325B1; CH533894A

Description

Patentanwalt Dipl. Ing. H. J. Hubner u, #. «7ö

8960 Kempten/Allg. ν λ

Lindauer Str. 32 · Telefon 08.31/23291

Dr₀ Walter Zumtobel in Dornbirn (Österreich)

Eisenpaket oder Kern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Eisenpaket oder Kern, vorzugsweise aus geschichteten lamellen für Transformatoren und Induktionsspulen, mit mindestens einem quer zum magnetischen Kraftfluß verlaufenden Luftspalt, wobei der Luftspalt durch Unterbrechung des Eisenpaketes oder durch Distanzierung mindestens zweier Teile des Eisenpaketes gebildet ist und die den Luftspalt begrenzenden Stirnflüchen unterschiedlichen Abstand voneinander aufweisen, indem an

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mindestens einer Stelle des Luftspaltes eine absatzartige Erhebung vorgesehen ist»

Es ist eine Drosselspule bekannt, mit einem umfangsgeschlossenen Mantel, in welchen der bewickelte Kern eingeschoben ist. Die Stirnseiten des Kernes sind gegenüber eiern Mantel

> durch eingelegte Streifen aus nicht magnetiüierbarem Material abgestützt, die in der magnetisch neutralen Zone der Drosselspule liegen,, Bezüglich der Magnetcharakberistik einer solchen Drossel vermögen diese eingelegten Streifen im Luftspalt nichts beizusteuern, da sie nicht nur in einem magnetisch inaktiven Bereich des Eisenpaketes liegen, sondern auch selbst magnetisch inaktiv sind und aubschließlich eine rein mechanische Funktion ausüben, da sie Mantel und Kern gegeneinander verkeilen, so daß ein von der Alterung bei hoher Betriebstemperatur unabhängiger, brummfreier Be- ψ trieb gewährleistet ist»

Für besondere Schalt- und Steueraufgaben ist es wünschens- und erstrebenswert, daß die Magnetcharakteristik des Eisenkernes im unteren Bereich, also in jenem Bereich, wo die Charakteristik einen noch zumindest annähernd linearen Verlauf aufweist, einen Knick besitzt. Zur Erreichung dieses Zweckes zeigt beispielsweise ein Kern aus geschichteten Ia-

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mellen einen Luftspalt, bei dem die den Spalt begrenzenden Flächen unterschiedlichen Abstand voneinander aufweisen,, Dieser unterschiedliche'.Abstand wird durch Fortsätze an den .Lamellen erzielte' Da bei kleinen Abmessungen des Eisenkernes, beispielsweise bei Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen,' sehr kleine Luftspalte vorgesehen sein müssen, ist die Bildung solcher Fortsätze ein erhebliches stanztechnisches Problem, da die erforderlichen Toleranzgrenzen nur schwer einzuhalten sind.

Um diesem stanztechnischen Problem oder dieser stanztechnischen Schwierigkeit aus dem Weg zu gehen, wird zur Erreichung der entsprechenden und angestrebten Charakteristik des Eisenkernes und insbesondere des Luftspaltes gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die absatzartige Erhebung durch einen im magnetisch aktiven..Bereich des Eisenpaketes oder Kernes eingeschobenen oder eingelegten Steg aus ferromagnetischem Material gebildet ist. Die Teile der Stirnflächen, die den Luftspalt begrenzen und die sich näher liegen als die übrigen Restteile der Stirnflächen, bilden sozusagen eine magnetische mehr oder weniger ausgeprägte Überbrückung des Luftspaltes mit der Wirkung, daß im Bereich geringer Induktion vorerst diese Stellen die Leitung des magnetischen hraftflusses übernehmen, wogegen imoberen Bereich der Induktion,

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also im Bereich der Sättigung, die Charakteristik primär durch den Restluftspalt beeinflußt und bestimmt wird. Ein solcher Steg, wie ihn die Erfindung vorschlägt, kann exakt und maßhaltig hergestellt werden, so daß bei seiner Verwendung die oben geschilderten Nachteile von selbst wegfallen» Zur räumlichen Fixierung dieses Steges erhalten die Lamellen Nuten, die stanztechnisch einfacher zu beherrschen sind als Fortsätze an Lamellen, und in diese Nuten werden die Stege ein, elegt. Sollen nun die magnetischen Verhältnisse gegenüber einer vorgegebenen Kerngestalt geändert werden, so kann diee auf einfache Weise durch Änderungen des Stegquerschnittes erfolgen, indem in diesen größere oder kleine- re Durchbrechungen eingearbeitet werden«. Solche Änderungen bei den Geräten nach dem Stande der Technik würde aber eine Änderung der Lamellenötanzwerkaeuge bedingen. Werden darüberhinaus als oi.-ege U-förmige Teile aus ferromagnetische:» Material verwendet, so bringen diese noch zusatzliche Vorteile, da ein solcher Steg nämlich gleichzeitig den Spulenkörper bildet, auf welchem tie Drahtwindungen aufgewickelt werden, bevor die Sj.ule in den Kern eingesetzt v.ird. Die (J-förmigen Jochlamellen werden dann von der Seite her auf den Kern aufgeschoben, und die U-i'crmigen Stege, die zur Bestimmung der magnetischen Charakteristik ausgelegt sind, bilden dabei einen mechanischen Schutz für die Wicklung während der Montage«

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Um den magnetischen Eluß im Eisen durch diesen durch den Steg gebildeten magnetischen Nebenschluß nicht seitlich zu verdrängen, empfiehlt es sich, diesen bezüglich der Mittelebene des Eisenkernes oder des Eisenpaketes symmetrisch anzuordnen,. Zur Beeinflussung der erwähnten Magnetcharakteristik und besonders des besagten Knickes, kann beispielsweise das ferromagnetische Material des Steges, einen niedrigeren Sättigungswert aufweisen als das Material des übrigen Eisenwe— geso Zur Unterbringung des Steges kann mindestens eine der den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen eine Nut besitzen, in welche der Steg eingelegt ist. Ist die Höhe des Steges dabei größer als die von ihm zu überbrückende Länge des Luftspaltes, so wird auf der Breite des Steges die Luftspaltlänge praktisch Hullο Von dieser Maßnahme wird zweckmäßig dann Gebrauch gemacht, wenn der Steg gleichzeitig die Aufgabe hat, als mechanische Stütze und als mechanische Führung beim Aufbau des Eisenkernes zu dienen. Aber auch zur Kompensation der magnetostriktiven Kräfte dient dieser Steg insofern, als bei der Wahl von Stoffen unterschiedlicher magnetischer Sättigungswerte die Induktion so gewählt werden kann, daß bezüglich des einen Materials eine positive und bezüglich des anderen Materials eine negative Längenänderung infolge Magneto-

die

striktion vorliegb, 30 daß iiich Längenändürungen im gesamten gesehen kompensieren ₀

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Eine weitere vorteilhafte Beeinflussung der Magnetcharakte- :?istik ergibt sich dann, wenn der Steg Durchbrechungen aufweist, beispielsweise in Form von Schlitzen, wobei in demjenigen Teil des Steges, der zwischen den den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen des Paketes oder Kernes liegb, der Anbeil der -Durchbrechungen gröLer ist als der Anteil aes die Durchbrechungen begrenzenden Stegmaterials. Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens liegt, wie erwähnt, darin, daß als Steg ein U-förmig geformter Teil vorgesehen ist, der seitlich des die Drahtwicklung durchsetzten Kernes angeordnet ist, und aus ferromagnetischem Material besteht, wobei der von der U-Form begrenzte Raum zur Aufnahme der Drahtwicklung dient. Dieser U-förmige Stegteil bildet aber nicht nur eine zweckmäßige Einrichtung zur Aufnahme der Drahtwindungen für die magnetische Erregerwicklung, sondern dient zusätzlich zur Fixierung des Kernteiles innerhalb des Eisenpake fces, wobei der Querschnigg der U-förmigen Stegteile vollständig in den Eisenquerschnitt einbezogen ist. Dabei ist es zweckmäßig, daß der U-förmige Teil im Bureich des LuI" Spaltes Durchbrechungen besitzt, d, h., in jenem Teil, wo der Luftspalt unmittelbar angrenzt.

Auöführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung einzuschränken. Es zeigen: Fig. 1 eine MagrietdharakteristJck; Fi^. Z uirie ..-infache

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Ausführungsform·des .Erfindungsgedankens j'Fig«, 3 einen Steg im Detail in Ansicht und Fig* 4 eine Aveitere Ausführungsform mit U-formigen Stegen und Fig. 5 den U-förmigen Steg im Detail in Schrägsicht.

In Fig. 1 veranschaulicht der Kurvenast a die Magnetcharakteristik einer Drosselspule herkömmlicher Bauart und es ist zu ersehen, daß im Anfg'-Jigsbereich der Charakteristik die Kurve linear ansteigt und dann allmählich in den Sättigungsbereich übergeht. Auf der Abszisse des Schaubildes ist dabei die magnetische Erregung und auf der Ordinate die Induktion eingetragene Die Magnetcharakteristik einer Drosselspule der erfinduiigsgemäßen Bauart wird durch den Kurvenast b veranschaulicht. Es ist aus der Zeichnung nach Fig« 1 zu ersehen, daß der lineare Bereich 'dieser"Kurve-eine deutliche Knick- oder Bruchstelle K aufweist, die für bestimmte Regel- und Steuerzwecke zweckmäßig, und wünschenswert ist ο

Wie Figo 2 anhand einer umfangsgeschlossenen Manteldossel zeigt, wird der angestrebte Zweck durch einen im magnetisch aktiven Bereich eingeschobenen oder eingelegten Steg 7 erzielt, wobei in den Stirnseiten 2' und 3^! des Luftspaltes von der Länge L des Eisenkernes Hüten 8 und 9 eingearbeitet sind- zur Aufnahme dieses Steges. Im Detail veranschaulicht Fig* 3 den Steg 7, wobei die strichlierten Linien 1o jenen-

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Teil abgrenzen, der innerhalb der Hüten 8 und 9 liegt. Der zwischen den beiden strichlierten Linien liegende Teil des Steges 7, der die Aussparungen 12 aufweist, bildet die eigentliche Überbrückung des. Luftspaltes. Es ist aus Fig- 3 ferner ersichtlich, daß in demjenigen Teil des Steges, der zwischen den den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen liegt, der Anteil der Durchbrechungen 12 größer ist als der Anteil des die Durchbrechungen begrenzenden Stegmaterials 16. Y/ird zur gänzlichen oder teilweisen tjberbruckung des Luftspaltes ein eigener Steg gefertigt, so ist es zweckmäßig, das ferromagnetische Material des Steges so zu wählen, daß es einen niedrigeren Sättigungswert aufweist als das Material des ü. rigen Eisenweges. Nicht nur, daß durch diese Wahl die Knickbildung in der Liagnetcharakteristik besonders intensiv beeinflußt werden kann, es können die Materialien so aufeinander abgestimmt werden, daß bei ein und derselben Induktion das Material des Steges, beispielsweise eine negative Längenänderung infolge der Magnetostriction aufweist, das andere Material aber eine gleich große oder annähernd gleich große positive Längenänderung, so αafc auf diese einfache Weise die magnetostruktiven Kräfte kompensiert werden können., Daß im Falle der Ausführung nach Fig. 2 der Steg 7 auch rein mechanische Aufgaben erfüllen kann, macht diese Figur augenscheinlich.

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Fig. 4 zeigt nun im Zusammenhang mit einer umfangsgeschlosse- nen Drossel ähnlicher Bauart wie der Gegenstand nach -⁰Xg₀ 2, daß der Steg 13 als U-förmig geformter Teil ausgebildet ist, der seitlich des die Drahtwicklung durchsetzenden Kernes 14 angeordnet ist, wobei der von der U-Form begrenzte .Raum zur Aufnahme der Wicklung dient» Mg. 5 zeigt diesen U-förmigen Teil herausgezeichnet und veranschaulicht ferner, daß im Bereich der Bugstelle dieses U-förmigen Teiles schlitzartige Durchbrechungen 15 vorgesehen sind, die unmittelbar bei eingebautem Teil (siehe Fig. 4) neben dem Luftspalt liegen,, Ausser rein elektromagnetischen Aufgaben erfüllt auch dieser Steg mechanische Aufgaben insofern, als er als Halterung für die Drahtwicklung dient und als Führung und Fixierung des zentralen -K-ernteiles 14« Es ist auch möglich, den von der U-Form des Steges 13 begrenzten Raum durch eine Zwischenwand 2o zu unterteilen, wie dies in den Fig. 4 und5 durch strichlierte Linien angedeutet ist. Dies erlaubt eine Anordnung zväer getrennter Wicklungen, die durch die.Zwischenwand 2o magnetisch wenigstens zum Teil entkoppelt sindo Man hat dadurch auch die Möglichkeit, die Wicklungen zu unterteilen, falls eine strenge symmetrische Schaltung der beiden Wicklungen gefordert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Zwischenwand liegt darin, daß ihre Leitfähigkeit auf Grund des ferrOmagnetischen Materials die beim Schalten und beim NuIl-

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durchgarig des Stromes zwangsweise auftretenden Schwingungen dämpft. Diese Zwischenwand kann in der Mitte sein, kann aber aπcii gegenüber der Mitte selbstverständlich seitlich verschoben werdeno

Bei Eisenpaketen für Transformatoren und Induktionsspulen (Drosselspulen) besteht ein wesentlicher Punkt zur Optimierung aller das Gerät beeinflussender Faktoren darin, möglichst kurze Eisenwege zu erzielen, und uie für den Aufbau des Eisenkernes erforderlichen Lamellen abfallarm zu stanzen. Wird nun das Eisenpaket so ausgebildet, daß eier Luftspalt einerseits von einer Stirnfläche des die Wicklung tragenden Kernes, andererseits von einem Teil uer Begrenzungsflache des die Wicklung umschließenden, aus U-förmigen Teilen bestehenden Mantels begrenzt ist (Fig. 4), so können dadurch die Voraussetzungen für die Optimierung geschaffen werden. In diesem Falle wird die mechanisch bedingte iYennfuge zwischen Kern und Man toi als Luftspalt ausgebildet. Zweckmäßig entspricht dabei die bewickelbare Länge der kernxamelle in der Ebune des magnetischen Kraftflusses gesehen etwa deren ilreite, vorzugsweise ist deren Länge gleich deren Breite, so daü der bewic: elbare Bereich der Kernlamelle - gesehen in der Ebene des magnetischen Kraftflusses - quadratisch ist. Dieser Vorschlug erlaubt nicht nur, das Ausgangsmaterial bestmöglichst

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auszunutzen (abfallarmes Stanzen), sondern läßt darüberhinaus einen Wickelraum zur Aufnahme der ¥/icklung gewinnen, der im Verhältnis zum Eisenquerschnitt äußerst günstige Abmessungen aufweist, so daß die Summe aus Kupfer- und Eisenaufwand eine optimale Leistung erbringt. Die vorgeschalgene Lösung ermöglicht, das -Kupfer- Eisenverhältnis stets .Optimal zu.gestalten, und zwar unabhängig von eventuellen Preisvers chie bunten. Die bewickelbare Länge des Kernes ist dabei annähernd doppelt £0 groß wie die , Breite der Schenkel 23 der Mantellamellen 21, um das zur Verfugung stellende· Eisen möglichst gleichmäßig mangetisch zu beanspruchen,, Selbstverständlich können unter Bedacht auf diese Lehre zum technischen Handeln den Kernl.mellen und den Man- -tellame-llerL--:unt-er:schie.dliche_ Gestaltungsformen gegeben werden« So kann die Kernlamelle 22 in Richtung des magnetischen Kraftflusses bzw. der magnetischen Durchflutung an mindestens einer der beiden Stirnseiten einen Fortsatz aufweisen, der zur Zentrierung des Kernes innerhalb d.es Man; eis dienen kann, wie Fig. 2 veranschaulicht, indem dieser Portsatz zwischen die Schenkel der beiden U-förmigen Mantellamellen ragt, wo·=' bei die Länge dieses Fortsatzes 24 kleiner gewählt als die Breite der Schenkel 23 der U-förmigen Mantellamellen, um auf diese Weise Streufelder an den Trennfugen zu unterbinden oder

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zumindest klein zu halten. Auch können die Schenkel einer
Mentellamelle ungleiche Längen aufweisen, wobei, jedoch die
Summe der Längen des kurzen und des langen Schenkels annähernd gleich int der absoluten Länge der Kernlamelle.

Aus dem Vorstellenden ict ersichtlich, daß die Verkürzung des
Luftspaltes durch einen in der magnetisch aktiven Zone eingesetzten oder eingeschobenen Steg erfolgen kann, der den Luftspalt ganz oder nur teilweise überbrückt, ja sogar durch einen Steg, der sowohl in die eine als auch in die andere derjenigen Stirnflächen ragt, die den Luftspalt als solchen begrenzen. Daß durch bestimmte Auaführungsfoimen und uurch eine bestimmte wahl der ferromagneti.sehen Materialeigenschaften besondere Vorteile erzielt werden können, aie einerseits auf rein mechanischer Ebene, andererseits ate:" auf elektromagnetischer Ebene lieg...), machen die vorstehenden Aueführungen offenbar.

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Claims

Pate nt an s ρ r tic he :

1Λ Eisenpaket oder Kern, vorzugsweise aus geschichteten Lamel— len für Transformatoren und Induktionsspulen, mit mindestens einem quer zum magnetischen Kraftfluß verlaufenden Luftspalt, wobei der Luftspalt durch Unterbrechung des Eisenpaketes oder durch Distanzierung mindestens zweier Teile des Eisen— paketes gebildet ist und die den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen unterschiedlichen Abstand voneinander aufweisen, indem an mindestens einer Stelle des Luftspaltes eine absatzartige Erhebung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die absatzartige Erhebung durch einen im magnetisch aktiven Bereich des Eisenpaketes oder Kernes eingeschobenen oder eingelegten Steg aus ferromagnetischem Material gebildet ist.

Eisenpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mindestens eine der den Luftspalt begrenzenden Flächen eine Nut besitzt, in welche der Steg eingelegt ist.

•|, Eisenpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Steges größer ist als die Länge des Luftspaltes·

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Eisenpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg Durchbrechungen aufweist, beispielsweise in Form von Schlitzen.

5ο Eisenpaket nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß in demjenigen Teil des Steges, der zwischen aen den Luftspalt begrenzenden Flächen des Paketes oder Kernes liegt, der Anteil der Durchbrechungen größer ist als der Anteil des die Durchbrechungen begrenzenden Stegmaterials.

6. Eisenpaket nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als eingelegter Steg mindestens ein U-förmig geformter Teil aus ferromagrietischem Material vorgesehen ist, der seitlich des die Drahtwicklung durchsetzenden Kernes angeordnet ist, wobei der von der U-Form begrenzte Raum zur Aufnahme der Wicklung dient₀

7. Eisenpaket nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Teil im Bereich des Luftspaltes Durchbrechungen besitzt.

8ο Eisenpaket nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von der U-Form begrenzte Raum uurch eine Zwischenwand unterteilt ist.

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9. Eisenpaket nach den vorstehenden Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß daö ferromagnetische Material des, Steges eine niedrigere Sättigungsinduktion aufweist ■als das Material des übrigen Eisenweges.

to, Eisenpaket nach den vorstehenden Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet., daß das ferromagnetische Material des ; ": Steges eine höhere SJlttigungsinduktion aufweist als das Material des übrigen Eisenwegeso ■

11_β .Eisenpaket nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material des Steges eine höhere Permeabilität aufweist als das Material des Übrigen Eisen-

1.2«- Eisenpaket nach dien Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da£ ä-M- ferromagnetische Material des Steges eine nie- J drigere Permeabilität aufweist als das Material des übrigen

Eisenpalet iu,eh Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet_s daß der Luftspalt einor-ItB von einer' Stirnfläche "des die Y/icklung tragendes Frrns f," cndc-rerseits von einem Teil der Begfen-' zungßflacJifj eines die Wicklung umschließenden aus U-förrai-gen Teilen iv- ^-e-'j^uen Mänteln begrenzt ict_e *

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14. Eisenpaket nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene des magnetischen Iiraftflusses gesehen die bewickelbare Länge der Kernleimellen etwa deren Breite entspricht, vorzugsweise gleich deren Breite ist.

15. Eisenpaket nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kern und das Joch bzw. den Mantel bildenden Lamellen in der Ebene des magnetischen Kraftflusses gesehen U-förmig gestaltet sind, wobei die Länge der Kernlamellen der lichten Weite der U-Form der Jochlamellen entspricht und die Höhe der Kernlamellen gleich oder um ein geringes Maß größer ist als die lichte Höhe
der Jochlamellen«.

Kir Dr. Walter Zumtobeli
Der Vertreter:

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