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Magnetkern für elektrische Induktionsgeräte, wie Transformatoren Bei
der Konstruktion vorn elektrischen Induktionsgeräten, wie Transformatoren, muß angestrebt
werden, die Magnetostriktion des Stahles auf ein Minimum zu bringen, um den Transformator
geräuscharm zu machen. Es wurden schon verschiedene Versuche zur Behandlung der
den Magnetkern bildenden lamellierten Bleche unternommen, um günstige Eigenschaften
bezüglich der 'Ma gnetostriktion zu erhalten. Die Konstruktion und Anordnung der
Lamellierung wurde zu diesem Zweck mehrfach geändert. Unabhängig von diesen bekannten
Maßnahmen zurKontrolle und Steuerung der Magnetostriktion blieb für den Konstrukteur
das Problem des Geräusches der Transformatoren während des Betriebes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kern für elektrische
Induktionsgeräte zu entwickeln, der eine niedrige Geräuschcharakteristik besitzt.
Erfindungsgemäß sind die aus lamellierten Blechpaketen bestehenden Längs- und Querschenkel
eines vorzugsweise rechteckigen Magnetkernes zur Halterung der lamellierten Pakete
je nur zwischen ihren Enden zusammengespannt, so daß sich die vom Klemmdruck freien
Enden unter festgesetzten Betriebsbedingungen gegeneinander bewegen können, und
sich bei Dehnung der Schenkel nicht gegenseitig stören.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es stellt dar
Fig. i die Ansicht eines rechteckigen Kernes, Fig. 2 das Schaubild eines der .aus
lamellierten Blechen gebildeten Schenkel, Fig. 3 die Ansicht zweier erfindungsgemäß
vereinigter Längsschenkel mit auf ihnen angeordneten Spulen oder Wicklungen, Fig.
4 die Ansicht eines durch Querschenkel oder Joche vervollständigten Kernes der Fig.
3,
Fig. 5 einen Kern bisher üblicher Ausführung in schaubildlicher
Darstellung, Fig. 6 den Grundriß eines Kernes der Art, wie in Fig. 5 gezeigt, jedoch
in erfindungsgemäßer Ausführung, Fig. 7 den Aufriß zu Fig. 6, Fig. 8 den Grundriß
eines dreischenkelig_ en Kernes erfindungsgemäßer Bauart, Fig. 9 den Aufriß zu Fig.
8, Fig. io den Aufriß eines ebenfalls dreischenkeligen Kernes mit besonders zweckmäßiger
Ausbildung der Stöße zwischen den Enden der lamellierten Schenkel.
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Nach Fig. i besteht der Kern io aus Längsschenkeln 12 und 14 und Querschenkeln
oder Jochen 16 und 18; die Enden der verschiedenen Schenkel sind in Winkeln von
45'°' zur Richtung der die einzelnen Elemente bildenden Lagen von Lamellen, also
in Gehrung, zugeschnitten, so daß,die Schenkel und Joche in rechten Winkeln zueinander
stehen und einen' recJhteckigen Kern .bilden. Bisher wurden Schenkel und Joche an
den Stößen ihrer Enden fest zusammengespannt, um eine gute Verbindung zwischen den
Enden der lamellierten Pakete Zu erhalten.
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Werden die von einem derartigen Kern getragenen Wicklungen oder Spulen
mit Strom beaufschlagt, so entwickelt sich bekanntlich ein unerwünschtes und störendes-
Geräusch. Dieses Geräusch ist, mindestens teilweise, auf die-Magnetostriktion der
Silicium-Eisen-Legierunig zurückzuführen, aus welcher die Lamellen des Kernpaketes
bestehen. Die Magnetostriktion eines derartig magnetischen Materials wird hervorgerufen
durch Dehnung und Zusammenziehung dieses Materials bei Magnetisierung,desselben;
sie läßt sich messen durch die Änderung der Länge einer Längeneinheit in Richtung
der Magnetisierung.
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Aus Fig. z ist ersichtlich,. daß die magnetostriktive, durch gestrichelte
Pfeile angedeutete Dehnung der Jochschenkel 16 und 18 die Länsschenkel 12 und 14,
die mit ersteren Schenkeln- zusammengespannt sind, veranlaßt, seitlich mit der gleichen
Frequenz zu vibrieren, welche der Magnetostriktion eigen ist. Die gestrichelten
Linien 17 und 19 deuten starb übertrieben. die Bewegung der Längsschenkel
12 und' 14 !in Abhängigkeit von` der Dehnung der Jochschenkel 16 und 18 an. Ist
die mechanische Ausführung des Kernes io so, daß die Resonanzfrequenz nahe bei einer
der Harmonischen der Magnetostriktion liegt, so werden .der Kern oder Teile desselben
in Resonanz versetzt; als resultierende Bewegung tritt an Stelle der seitlichen,
durch -die Linien 17 und 49 angedeuteten Vibration ein Biegen, wodurch das Geräusch
des Induktionsgerätes noch weiter gesteigert wird: Die Erfindung verwendet Schenkel-
und Jochglieder des Kernes, die beispielsweise in der aus Fig.2 ersichtlichen Art
ausgeführt sind. Gemäß dieser -Figur besteht der Längsschenkel 12 aus einem Paket
von Schichten oder Lamellen 2o aus magnetischem Blechmaterial, wie Silicium-Eisen-Legierung,
bei welchem die Kristallstruktur vorzugsweise in der Walzrichtung der Bleche bzw.
in der Lariiellenrichtung orientiert ist. Die Enden 21 des lamellierten Schenkels
sind in Gehrung, zweckmäßig unter einem Winkel von 45°' zur Richtung der Lamellen
zugeschnitten.
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Die in der beschriebenen Weise ausgeführten Längsschenkel 12 und 14
und ebenso die joch-@sc'henkel 16 und 18 sind zwischen den Enden zusammengespannt
oder zusammengeklemmt, um .die Lamellen, aus welchen die Schenkel bestehen, in der
richtigen Lage zueinander zu halten.
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Gemäß Fig. 3 sind die Lamellenpakete der Längsschenkel 12 und 14 durch
Querverbindungen 22 züzsammengespannt, die zugleich die gegenseitige Lage dieser
Schenkel bestimmen. Die erwähnten Ouerverbindungen22 bestehen beispielsweise aus
Paaren von Bändern oder Riegeln 24, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Schenkel
12 und 14 angeordnet und unter Ausübung eines Preßdruckes auf die Lamellenpakete
durch Schrauben 26 und 28 zusammengespannt sind. Die Bänder oder Riegel umfassen
die Schenkel 12 und 14 zwischen ihren Enden, vorzugsweise in der Mitte zwischen
den Enden derart, daß nur an diesen Stellen ein Klemmdruck auf die Lamellenpakete
ausgeübt wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, werden auf die freien Enden der Schenkel
12 und 14 vorbereitete Spulen oder Wicklungen 30, 32 und 34, 36 aufgeschoben.
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Die Joch- oder Querschenkel 16 und 18 sind in ähnlicher Weise zusammengespannt
und gehalten, wie in Fig.4 gezeigt. In dieser Figur sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
die Wicklungen weggelassen. Die Schenkel 16 und-1-8 werden durch einen Verband 38
zusammengehalten, der ähnlich den Ouerverbindungen 22 für .die Längsschenkel 12
und 14 ist. Der Verband 38 besteht aus einem Paar von Bändern oder Riegeln 4o, die
sich auf beiden Seiten der Joch- oder Querschenkel 1.6 und 18 befinden und diese
Querschenkel zwischen deren Emden, vorzugsweise in der Mitte, mittels Schrauben
42 und 44 zusammenspannen, so daß ein Preß- oder Klemmdruck auf die Joch- oder Querschenlcel(I6,-'i8
nur in der Mitte derselben zwischen den Enden ausgeübt wird. Die Bänder oder Riegel
und die Spannschrauben sind durchweg vorzugsweise aus unmagnetischem Werkstoff oder
gegenüber dem Kernmaterial isoliert.
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Wie aus Fig.4 ersichtlich, erleichtert die Verbandkonstruktion 22,
38 den Aufbau der die Längsschenkel 12 und 14 sowie die Joch- oder Querschenkel
16 und 18 bildenden Lamellenpakete zu einem rechteckigen Kern mit in Gehrung geschnittenen
Stoßflächen 46 an den Ecken. Die Enden der die Schenkel bildenden Lamellenpakete
sind frei von Klemmdruck; die Enden aneinanderstoßender Schenkel können sich frei
gegeneinander bewegen.
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In der Praxis werden die Längs- und Querschenkel nicht so angeordnet,
daß die Enden der Lamellen eine dichte_ Stoßfuge ergeben; d. h. es wird dafür gesorgt,
aß an den Stoßfugen Luftspalte vorhanden sind. Dieser Luftspalt kann durch entsprechende
Einstellung der die Schenkel verbindenden
Konstruktionselemente
22 und 38 gebildet werden. Je nach der Größe des Transformators beträgt die lichte
Weite des Luftspaltes o,oo2 bis o,oo35 mm. Der Luftspalt kann mit einem dünnen Streifen
48 von federndem, als Polster wirkenden Material, wie Resorcinharz oder einem Film
aus einer Resorcin-Vinyl-Verbindung, ausgefüllt sein, so daß die Stoßflächen nicht
durch magnetische Anziehung gegeneinanderge.drückt werden und die durch Magnetostriktion
hervorgerufene Dehnung der Längs- oder Querschenkel nicht behindert wird. Gleichgültig
aber, ob eine Einlage 48 vorgesehen wird oder nicht, in jedem Fall wird die durch
Magnetostriktion erzeugte Dehnung der die Jochschenkel 16 und i8 bildenden lamellierten
Pakete nicht in eine seitliche Vibration der Längsschenkel 12 und 14 umgesetzt,
da diese gegenüber den Querschenkeln an den Stoßflächen einen schmalen Luftspalt
aufweisen.
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In Fig. 5 ist ein rechteckiger Kern 5o bisher üblicher Ausführung
gezeigt. Dieser Kern besteht aus die Spulen oder Wicklungen aufnehmenden Längsschenkeln
52 und 54 -von kreuzförmigem Querschnitt und aus Joch- oder Querschenkeln 56 und
58. Die Stoßstellen zwischen den Längsschenkeln und den Jochschenkeln befinden sich
an den Ecken des Kernes und sind durch Rahmenschienen (o, 62 und 64, 66, die längs
des oberen und unteren Jochschenkels zu beiden Seiten verlaufen, verdeckt. Entsprechend
der bisher üblichen Ausführung sind die Lamellen der Längsschenkel 52 und 54 durch
eine Vielzahl von Schrauben 68 und 70 zusammengespannt; die Rahmenschienen
6o, 62 und 64, 66 sind an dem Kern befestigt und halten die Längsschenkel und Jochschenkel
durch an den Ecken des Kernes angeordnete Spannschrauben 72, 74, 76, 78 zusammen.
Es werden daher die Enden der die Längsschenkel und Jochschenkel bildenden Lamellenpakete
unter Klemmdruck gehalten; eine freie Dehnung der Schenkel unter dem Einfluß der
Magnetostriktion ist nicht möglich. Die während des Betriebes erzeugte Vibration
des Transformators verursacht ein starkes Geräusch.
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Gemäß den Fig. 6 und 7 findet ein Kern 8o Verwendung, der ähnlich
dein in Fig.5 gezeigten, jedoch nach dem Erfindungsvorschlag, ausgeführt ist. Der
Kern 8o umfaßt Längsschenkel 82 und 84 von kreuzförmigem Querschnitt und Ouer- oder
Jochschenkel 86 und 88. Die Längs- und Querschenkel sind aus lamellierten magnetischen
Blechen zusammengesetzt; die Längsschenkel 82 und 84 sind an ihren gegenüberliegenden
flachen Außenseiten mit Schichten oder Lagen go und g2 aus Isoliermaterial versehen
sowie mit Deckplatten 94 und 96,
die längs der Seiten der Schenkel 8:2 und
84 auf den Außenseiten der Isolierschichten gp und 92 verlaufen. Erfindungsgemäß
ist jeder der Längsschenkel zwischen seinen Enden in der Mitte durch Schrauben
98 und ioo zusammengespannt; die Schrauben durchgreifen in vorbereiteten,
nicht gezeichnetenLöchern dieLamellenpakete derSchenkel 8z und 8,4. Diese Lamellenpakete
werden somit durch die Spannschrauben 98 und ioo in ihrer richtigen Läge
gehalten, die Schenkelenden aber sind frei von Klemm- oder Spanndruck.
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Zum Aufbau der Joch- oder Querschenkel 86 und 88 werden zunächst ein
oberer und unterer Rahmen 1o2 bzw. io4 zusammengestellt, wie am besten aus Fig.
6 ersichtlich, und zwar mit Hilfe von Distanzbolzen io6 und io8 an gegenüberliegenden
Enden jedes dieser Rahmen. Der Zwischenraum zwischen den Paaren von U-Schienen;
aus welchen jeder dieser Rahmen gebildet - wird, wird durch Stellschrauben i io
und 11:2 -auf den Gewindebolzen festgelegt.DerAbstand dereinandergegenüberliegenden
U _s chienen eines jeden Schienenpaares ist abhängig von der Stärke der die
Längs- und Querschenkel bildenden lamellierten Pakete, zusätzlich der Stärke der
Isolationsschicht go und der Stärke der Deckplatte,g4 an gegenüberliegenden Seiten
der Längsschenkel 82 und 84. Wenn die Rahmen io2 und 1o4 in der beschriebenen Weise
zusammengestellt sind, werden sie über die den oberen bzw. unteren Querschenkel.
86 bzw. 88 bildenden Blechpakete gesetzt; hierauf werden auf den gegenüberliegenden
Seiten jedes lamellierten Paketes Isolierblöcke 114 angesetzt, und zwar in Deckung
mit vorbereiteten, der Aufnahme von Spannbolzen 116 und 118 dienenden Öffnungen
oder Bohrungen (nicht gezeichnet) in den lamellierten Paketen. Jeder der beiden
Querschenkel wird durch die erwähnten Klemmschrauben ii6,bzw. 118 in der Mitte zwischen
den Enden der Halterahmen 102 und io4 eingespannt; die Enden dieser Schenkel sind
frei von Spanndruck.
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Nachdem die Längsschenkel 82 und 84 und die Jochschenkel 86-und 88
in der beschriebenen Weise je für sich hergestellt worden waren, werden die Teile,
wie aus Fig.7 ersichtlich, vereinigt; die Deckrahmen io2 und 104 können auf geeignete
Weise miteinander verbunden werden, beispielsweise durch nicht gezeichnete verbindende
Spannbolzen oder durch Verschweißen der Enden der Deckplatten 94 und 96 mit
gegenüberliegenden U- Schienen, aus welchen die Rahmen io2 und 104 bestehen. Die
Schweißstellen sind in Fig. 6 mit i2o bezeichnet. Nach dieser Vereinigung der Längst'
Querschenkel kann der Kern als Einheit transportiert werden; dieLängs-undQuerschenkel
dieses Kernes unterliegen lediglich in der Mitte zwischen den Enden dem Klemm- oder
Spanndruck; die Enden der Längsschenkel und der Jochschenkel sind frei für seitliche,
unter der Einwirkung der Magnetostriktion stattfindende Dehnung.
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Eine ähnliche Ausführung zeigen @die Fig. 8 und g für einen dreischenkeligen
Kern 122. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 umfaßt der Kern i:22 lamellierte
Schenkel i2.1., 126 und 128, die durch Spannschrauben 130. 1322 und 134 verbunden
und in Betriebsstellung gehalten sind; die genannten Klemmbolzen durchgreifen Deckplatten
136, 138, i4o und Isolierplatten 142, 144 und 146. Der Klemmdruck auf die
lamellierten Pakete wird nur in der Mitte zwischen den Enden eines jeden der genannten
Schenkel ausgeübt. In ähnlicher Weise sind die Jochschenkel 148 und i5o zwischen
aus
durch U-Eisen r52 und 154 gebildeten Rahmen 156 gefaßt und zwischen ihren Enden
durch Spannbolzen 158 und i6o@ zusammengespannt. An den gegenüberliegenden Seiten
der lamellierten Schenkel 14.8 und i5o befinden sich Isolierblöcke 162 und 16¢ zum
Ausgleich der Isolierplatte 142 und der Deckplatte 136. des Längsschenkels 124..
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Wie bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 sind die einen oberen
und einen unteren Rahmen 156 bzw. 166 bildenden U-Eisen 152 und 154. durch Stiftschrauben
168 und 170 im Abstand voneinander gehalten; diese Schrauben befinden sich außerhalb
der den Kern bildenden lamellierten Pakete derart, daß sie die freie, durch Magnetostriktion
eintretende Dehnung der Enden der lamellierten Schenkel nicht beeinträchtigen.
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Die Stöße der zu dem Kern zusammengesetzten Längs- und Querschenkel
können von beliebiger Form sein; als zweckmäßig hat-es sich erwiesen, die Lamellen
schräg, vorzugsweise unter einem Winkel von 45'° zur Lamellenrichtung zuzuschneiden,
so daß die Stoßflächen der Längs- und Jochschenkel .nach deren Vereinigung in (
den Ecken der Wicklungsfenster in Gehrung verlaufen. Ein praktisches Beispiel zeigt
der in Fig. io wiedergegebene Kern, der aus einer Vielzahl von zugeschnittenen Blechen
unterschiedlicher Länge zusammengesetzt ist.
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Gemäß dieser Figur sind die die Längs- und Querschenkel bildenden
Lamellen so zugeschnitten und geformt, daß in den äußeren Längsschenkeln und in
den Quer- oder Jochschenkeln wie auch in den inneren Schenkeln die zwischen :den
Lamellen jeder Lage gebildeten Stoßstellen gestreckte, im schrägen Winkel zur Richtung
der Bleche verlaufende Linien bilden, so daß im wesentlichen der ganze Fluß in jedem
der Bleche oder Lamellen zwischen den Verbindungen an gegenüberliegenden Enden jedes
Bleches in einer ununterbrochenen, gestreckten Linie längs der Walzrichtung oder
der Lamellenrichtung durchgeht, und daß die Verbindungslinien in den benachbarten
Lamellenlagen an irgendeinem Eck des Kernes sich in paralleler Richtung erstrecken,
um eine Überlappung von im wesentlichen konstanter Größe zwischen den die Stoßstellen
benachbarter Lagen bildenden Verbindungslinien zu erhalten.
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Selbstverständlich können die Stoßstellen auch anders. beschaffen
sein. Hervorzuheben ist, daß auch im Fall des Ausführungsbeispieles der Fig. io
die lamellierten Pakete der Längs- und 'der Jochschenkel mit Öffnungen oder Durchbrechungen
176 und 178 versehen sind, welche der Aufnahme von Spannbolzen dienen, wie an Hand
der Fig. 9 erläutert. Auch hier wird der Preßdruck auf die verschiedenen Längsschenkel
und Jochschenkel, aus denen sich der Kern der Fig. io zusammensetzt, nur zwischen
den Enden dieser Schenkel ausgeübt, so daß die Schenkelenden frei für seitliche,.
durch Magnetostriktion hervorgerufene Dehnung sind. In jedem Fall ist es zweckmäßig;
die Öffnungen oder Durchbrechungen für die Aufnahme der Spannbolzen schon beim Zuschneiden
der Lamellen auf ihre Länge und Form anzubringen, und zwar vor dem Tempern der Bleche,
so daß beim Einschlagen der Öffnungen erzeugte Spannungen während des Temperns beseitigt
werden.
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Um den durch die Erfindung gewonnenen Fortschritt festzustellen, wurden
vergleichende Versuche an zwei im übrigen vollkommen übereinstimmenden Kernen vorgenommen,
von denen der eine nach dem Erfindungsvorschlag, der andere in der bisher üblichen
Weise ausgeführt war. Es wurde gefunden, daß der erfindungsgemäß ausgebildete Kern
um mehr als 50'/o weniger Geräusch verursachte als der Kern der bisher bekannten
Bauart. Zusätzlich zur Geräuschminderung des Transformators zeigte der erfindungsgemäße
Kern den weiteren Vorteil, daß die .Induktion um etwa 15 % gesteigert werden konnte
und daß der Kern trotzdem noch unter der Geräuschgrenze eines Kernes der üblichen
Ausführung blieb.
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Schon oben- wurde angedeutet, daß die in Fig. 4. gezeigte Streifeneinlage
4.8, bestehend aus elastischem Material, zwischen den Enden oder Stoßflächen derLängsschenkel
und der Jochschenkel in Wegfall kommen kann. In diesem Fall schließen die Längs-
und Querschenkel an den Stößen schmale Luftspalte ein, die freie seitliche Dehnung
der lamellierten Pakete der verschiedenen Schenkel unter dem Einfluß der Magnetostriktion
ermöglichen: Wird beim Fehlen von.Einlagen 4.& der Kern, wie üblich, in ein
Dielektrikum getaucht, so füllt das Dielektrikum die Spalte und übernimmt gewissermaßen
die Funktion eines elastischen Polsters zwischen den Stoßstirnflächen der lamellierten
Pakete.
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Die erfindungsgemäße Kernausführung weicht grundsätzlich von der bisher
üblichen Herstellung von magnetischen Kernen ab und gewährleistet gegenüber diesen
für elektrische Induktionsgeräte, wie beispielsweise Transformatoren, erhebliche
Vorteile. Indessen ist die erfindungsgemäße Abweichung der Bauart gegenüber den
bekannten Konstruktionen außerordentlich einfach; sie kann von einem Fachmann des
einschlägigen Gebietes ohne Schwierigkeit verwirklicht werden.