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-Noyaux de transformateur
La présente invention concerne, de façon générale, les noyaux et, plus spécialement, les noyaux feuilletés utilisés dans les transformateurs et appareils à induction semblables.
L'invention a pour but de réaliser, entre les faces de contact d'un noyau feuilleté, de plus fortes pressions à hauteur de la ligne médiane du noyau oue sur les bords de celui-ci, de façon à réduire la résistance électrique et la rigidité diélectri-
Que entre tôles à hauteur de la ligne médiane par rapport à la résistance lectricue et la rigidité diélectrique entre les tôles sur les bords de celles-ci, afin de pouvoir construire un noyau à pertes plus faibles.
L'invention ressortira clairement de la des- cription détaillée, donnée ci-après, de plusieurs de ses formes
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(:',;:.(....:;z:.v:ll'c!?réSe!lt2es" à titre d-Ic-7.er-ple., au dessin annexée 'ra:p.. lequel :
La fig. 1 est une vue en plan d'un noyau de transformateur du type cuirasse suivant la présente invention.
La fig. 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en bout d'une variante de noyau bobiné construite suivant la présente invention.
La fige 4 est une coupe du noyau de la fig. 3 suivant la ligne IV-IV de la fig.
La fig. 5 est une vue en coupe d'un ncy'au feuilleté constituant une variante du noyau de la fige 3, également conforme
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çi..J 'c'¯ présente invention., et
La fige 6 est un schéma de noyau montrant comment les ten- sions sont induites dans le noyau ainsi que des parties auxquelles on se référera dans la description ci-après.
' La fige 1 représente le noyau 10 composé de plusieurs @eles d'une largeur déterminée prises dans de la tôle d'acier électrique. La tôle d'acier électrique consiste généralement en un alliage de fer et de silicium réduit à l'épaisseur voulue par laminage à chaud ou à froid. Dans les deux cas, la pellicule de matière isolante servant à isoler les tôles les unes des autres est appliquée en cours de fabrication. En outre, la présente inven- tion n'est pas limitée aux tôles de fer-silicium, mais s'applique à toute tôle à noyau qu'on recouvre d'une pellicule isolante.
Dans la fabrication des noyaux de transformateurs et autres appareils à induction, il faut soumettre les enroulements, une fois montés sur les noyaux, à des essais imposés pour voir si le transformateur satisfait ou non aux prescriptions prévues.
Un de ces essais habituellement appliqué est l'essai à front raide.
L'expérience a montré qu'après des essais à front raide sur des transformateurs et appareils à induction semblables, il
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peut y avoir une notable augmentation des pertes dans le fer,
On a découvert, en outre, que cette augmentation des pertes dans le fer est due au'percement électrique des pellicules isolantes recouvrant les tôles, ce qui s'exprime plus couramment: percement de l'isolement entre tôles. Si un percement de l'isolement se produit durant l'essai à front raide, quand on met le noyau en service, on constate des courants de Foucault et par conséquent des pertes dans le fer non négligeables. Les courants de Foucault provoqués par le percement de l'isolement entre tôles, circulent entre les tôles.
Pour pouvoir exposer les avantages et le rôle de la pré- sente invention, il faut expliquer pourquoi l'isolement entre tôles est percé durant les essais à front raide. A la mise sous ension des enroulements durant l'essai à front raide., il est toujours appliqué à l'isolant séparant les tôles une tension à deux compo- santes, une composante électrostatique et une composante électro- magnétique.
Les tensions électromagnétiques appliquées peuvent être représentées par les flèches A de la fig. 6. Le sens d'écoulement du flux fait que les tensions électromagnétiques sont maxima sur les bords 14 du noyau et opposées, et nulles dans le plan médian 13. Quand la tension devient nulle par percement de l'isolement entre tôles à un bord du hoyau, la tension, à l'autre bord, monte presqu'au double et peut provoquer un autre percement de l'isole- ment entre tôles. Si le percement se produit sur les deux bords, il y a circulation de courant connu sous le nom de courant de Foucault. Ce courant provoque des pertes notables dans le fer.
L'expérience a montré que la composante de tension électro statique n'augmente pas, par elle-même) les pertes dans le fer, parce qu'elle ne provoque, en général, qu'un percement de l'isole- ment entre tôles. Il n'y a donc pas production de courants de Foucault.
Dans un transformateur en fonctionnement normal,, il y a aussi une composante de tension électromagnétique présente
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dans le noyau. Celle-ci est moindre que la tension électrostatique pendant l'essai à front raide et varie différemment dans le termps, mais se répartit -de la même façon dans le noyau. La composante électromagnétique provient d'une tension induite due à la variation continuelle du flux magnétique dans le noyau. L'expérience montre, en outre, que cette composante électromagnétique entretient des courants de Foucault avec, comme résultat, des pertes dans le fer.
Si les composantes électromagnétique et électrostatique sont toutes deux présentes durant les essais à front raide, et si elles ne sont pas négligeables, l'augmentation de perte dans le fer peut devenir importante et dépasser celle due à la-composante électromagnétique seule. Même si la composante électrostatique à elle seule a relativement peu d'effet, elle peut doubler l' @ffet de la composante électromagnétique quand elle est de grandeui Affisan- te et conjuguée à celle-ci. En d'autres'mots, la composante élec- trostatique jointe à la composante électromagnétique produit plus rapidement un percement de l'isolement entre tôles.
La contrainte électrostatique due à la composante de tension électrostatique peut être réduite en diminuant la résis- tance de l'empilage de tôles du noyau. Quand cette résistance du noyau est réduite dans le plan médian, c'est-à-dire le long de la ligne 13 à la fig. 6, cela n'a pas d'effet sur les pertes normales dans le fer, puisqu'il n'y a pas de contrainte de tensions élec- tromagnétiques dans ce plan. La tension électromagnétique est géné- ralement appliquée comme les flèches A de la fig. 6 le montrent.
En outre, le même effet peut être obtenu, si le percement dû à la contrainte électrostatique est limité au plan neutre ou médian, en dehors des bords des tôles. La composante électrostatique de tension est appliquée comme les flèches B de la fig. 6 le montrent.
Comme la composante électromagnétique de tension présente dans le noyau est due à la nature même du fonctionnement du noyau, il ne semble pas y avoir de moyen pratique de l'éliminer. Cependant,
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comme a contrainte due à la composante électromagnétique de
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l'têlt:51011 est 1lu.11dans le pla.n neutre, c-1,Est-â-dire le long de la ligne 13, cette information est utilisée pour la réalisation de la présente invnetion comme décrit ci-après.
Les tôles de noyaux de transformateur soit du type bobiné, du type cuirassé ou du type ouvert sont obtenues par découpage
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vu .>sc:rapage de tôle d'acier électrique. Des bavures se formente durant ces opérations, sur les bords des tôles ou bandes découpées, de sorte que l'isolement entre tôles n'est pas aussi efficace qu' illeurs. L'isolement est donc le plus faible là où. la composan- te électromagnétique de tension est la plus forte. Afin de réduire la résistance et la rigidité diélectrique de l'empilage de tôles dans le plan neutre, qu'il s'agisse des noyaux du type cuir@@sé, ouvert ou bobiné, il est prévu des moyens pour augmenter 1 . pres- $ion de contact entre tôles dans le plan neutre, suivant la ligne 13 de la fig. 6 par exemple.
Comme cela est expliqué ci-après, différents moyens peuvent être utilisés pour augmenter la pression de contact dans le plan neutre*
Dans le cas des noyaux faits d'un empilage de tôles, comme le noyau du type cuirassé représenté à la fig. 1 ou le noyau du type ouvert, un certain nombre de tôles 15 sont empilées de manière bien connue dont il est inutile de donner la description.
Après avoir empilé quelques tôles, on place au-dessus de celles-ci des bandes de matière 16 plus étroites que les tôles elles-mêmes.
Ces bandes peuvent être prises dans la même tôle d'acier électri- que dont se composent les tôles normales du noyau. On peut aussi utiliser des bandes de cuivre ou des bandes en tout autre métal conducteur de l'électricité. On pourrait encore utiliser des bandes de matière non magnétique à condition que ces bandes contiennent assez de métal pour établir un contact électrique entre les tôles .séparées par les bandes 16. Il est cependant préférable d'utiliser des bandes 16 en matière magnétique, parce qu'elles font alors aussi
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fond; oWI\ÙlY.1t:-at partie du noyau.
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Dans les noyaux comprenant des bandes 16, le poids de? tôles elles-mêmes augmente fortement la pression de contact entre tôles aux endroits des bandes intercalaires. Comme représenté., ces bandes se trouvent en substance à l'endroit de la ligne médiane des tôles. La pression est donc la plus forte dans le plan neutre, comme représenté par la ligne 13 à la. fig. 16.. Cette pression est encore accrue dans les transformateurs et autres appareils à induction, quand les brides de serrage des tôles sont appliquées.
En outre, il est évident que la pression de contact est moindre sur lies bords des tôles que dans le cas des noyaux ordinaires non munis de bandes de séparation comme en 16.
Dans le cas des noyaux enroulés, comme à la fig..il suffit, dura.nt l'enroulement, d'insérer les bandes 16 après un certain nombre de tours 17, pour obtenir,..en section transversale, un noyau bobiné se présentant comme le noyau décrit ci-avant.
Comme les figs. 2 et..4. .le montrent,, en section transversal les noyaux à tôles empilées et les noyaux, enroulés se présentent de façon très semblable. Il a été, constaté que de très bons résul- tats sont obtenus avec des bandes de matière 16 ayant environ le sixième de la largeur des tôles' empilées ou de la bande enroulée.
Le noyau représenté en variante à la fig. 5 se compose soit de plusieurs tours de.bande enroulée 17 soit de plusieurs tôles empilées. 15 d'une largeur déterminée. Apres enroulement d'un nombre de tours 17 déterminé dans le cas de noyaux enroulés ou empilage .'d'un nombre déterminé de tôles 15, on enroule une spire ou on dépose une tôle 18 dont la largeur est égale aux deux tiers de la largeur des spires ou tôles principales, on enroule ensuite le même nombre de spires principales ou on dépose le même nombre de tôles principales suivies à nouveau d'une spire ou d'une tôle de largeur deux tiers. La deuxième fois, la bande ou tôle moins large est misede l'autre côté du noyau tout en chevauchant la première.
On continue ainsi à intercaler des tôles ou bandes moins
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larges disposées en quinconce jusqu'à bobinage entier du noyau ou empilage complet des tôles.
Comme la fig. 5 le montre, il y a des groupes de tales ou spires 15 et 17 de tôle d'acier électrique d'une largeur déter- minée dans le noyau et, par intervalles, des bandes ou tôles 18 moins larges mises alternativement d'un côté du noyau et de l'au- tre, ces bandes ou tôles étant cependant assez larges pour se chevaucher. Le noyau ainsi obtenu, comme la fig. 5 le montre, a une plus grosse épaisseur de métal le long de la ligne médiane, c'est- à dire dans le plan neutre représenté par la ligne 13 à la fig. 6.
Quand les dispositifs de serrage des noyaux sont appliqués, la pres- sion de contact est plus grande au centre que sur les bords.
De cette manière, la résistance et la rigidité d@ 'ce- trique du noyau à empilage ou bobiné sont' fortement réduites dans le plan média.n. Par conséquent, tout percement de l'isolement entre tôles dû à la composante électrostatique dans les essais à front raide se produira dans le plan médian, où il est, en substance, sans importance.
On remarquera aussi que la rigidité diélectrique sur les bords est renforcée grâce à la pression de contact plus faible, ce qui réduit les chances de percement par la composante élec- tromagnétique de la tension qui est la plus forte sur les bords du noyau.
Un nombre suffisant de transformateurs du type cuirassé conformes à l'invention ont été essayés et comparés à d'autres transformateurs non conformes à l'invention. Les essais ont montré que les noyaux de transformateur non conformes à l'invention ont subi une augmentation des pertes dans le fer, après l'essai à front ride, de 9,9% et une déviation standard de 6,2% L'expression "déviation satndard" se rapporte à une estimation scientifique nue 68% d'un très grand nombre de noyaux est compris entre la moyanne plus la déviation standard et la moyenne moins la déviation .standard.
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Le." OYê..1:¯:: CE-'1¯CrIleS à. (TF:1>Lv.'.t essayés 1*1E5 3.- " zizis cn-7- Z!'b .,,\,,,> augs.ents.tion moyenne des ., ?.:.- fer de 1F3,, "" avec une déviation standard de 23%. Ceci ::.':: ti t;t.:'.3 un perfectionnement très inattendu par rapport aux =.: ,:.â a.Duareils du même genre. il se conçoit facilement que cèle. s=¯:w:¯-¯ une grosse économie en fonctionnement de transforniateurs.
REVENDICATIONS
1.- Noyau feuilleté pour transformateurs et autres appa- reils à induction, comprenant plusieurs tôles découpées dans de la tôle d'acier électrique d'une largeur déterminée, caractérisé au ce que des bandes de matière conductrice plus étroite que les sont intercalées de telle façon entre certaines des coles, que la pression de contact entre tôles soit plus forte dans le centre du noyau que sur ses bords.
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- Transformer cores
The present invention relates generally to cores and more particularly to laminated cores used in transformers and similar induction devices.
The object of the invention is to achieve, between the contact faces of a laminated core, greater pressures at the height of the center line of the core or on the edges thereof, so as to reduce the electrical resistance and the dielectric strength
Only between sheets at the height of the center line with respect to the electric resistance and the dielectric strength between the sheets at the edges thereof, in order to be able to build a core with lower losses.
The invention will emerge clearly from the detailed description given below of several of its forms.
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(: ',;:. (....:; z: .v: ll'c!? réSe! lt2es "as d-Ic-7.er-ple., to the attached drawing' ra: p .. which :
Fig. 1 is a plan view of a breastplate type transformer core according to the present invention.
Fig. 2 is a sectional view along the line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is an end view of an alternative wound core constructed in accordance with the present invention.
Fig 4 is a section through the core of FIG. 3 along line IV-IV of FIG.
Fig. 5 is a sectional view of a laminated ncy'au constituting a variant of the core of the rod 3, also conforming
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çi..J 'c'¯ present invention., and
Fig. 6 is a core diagram showing how the voltages are induced in the core as well as parts to which reference will be made in the description below.
Fig. 1 shows the core 10 made up of several elements of a determined width taken from sheet electrical steel. Electrical steel sheet generally consists of an alloy of iron and silicon reduced to the desired thickness by hot or cold rolling. In both cases, the film of insulating material used to insulate the sheets from each other is applied during manufacture. Furthermore, the present invention is not limited to iron-silicon sheets, but applies to any core sheet which is covered with an insulating film.
In the manufacture of cores for transformers and other induction devices, the windings, once mounted on the cores, must be subjected to prescribed tests to see whether or not the transformer meets the prescribed requirements.
One of these tests usually applied is the steep front test.
Experience has shown that after steep-front tests on transformers and similar induction devices, it
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there may be a noticeable increase in iron losses,
It has been discovered, moreover, that this increase in losses in the iron is due to the electric piercing of the insulating films covering the sheets, which is more commonly expressed: piercing of the insulation between sheets. If a breakthrough in the insulation occurs during the steep front test, when the core is put into service, eddy currents and therefore significant losses in the iron are observed. The eddy currents caused by the piercing of the insulation between sheets circulate between the sheets.
In order to be able to explain the advantages and the role of the present invention, it must be explained why the insulation between sheets is pierced during the steep front tests. When energizing the windings during the steep front test, a two-component voltage, an electrostatic component and an electromagnetic component, is always applied to the insulation separating the sheets.
The electromagnetic voltages applied can be represented by arrows A in fig. 6. The direction of flow of the flux means that the electromagnetic voltages are maximum on the edges 14 of the core and opposite, and zero in the median plane 13. When the voltage becomes zero by piercing the insulation between sheets at one edge of the core, the tension on the other side rises almost to double and can cause further breakthrough of the insulation between sheets. If the piercing occurs on both edges, there is current flow known as eddy current. This current causes notable losses in the iron.
Experience has shown that the electro-static voltage component does not, by itself, increase the losses in the iron, because it generally only causes a breakthrough in the insulation between sheets. . There is therefore no production of eddy currents.
In a transformer in normal operation, there is also an electromagnetic voltage component present
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in the nucleus. This is less than the electrostatic voltage during the steep front test and varies differently in the term, but is distributed in the same way in the nucleus. The electromagnetic component comes from an induced voltage due to the continual variation of the magnetic flux in the core. Experience shows, moreover, that this electromagnetic component maintains eddy currents with, as a result, losses in the iron.
If both electromagnetic and electrostatic components are present during steep front testing, and if they are not negligible, the increase in loss in the iron may become large and exceed that due to the electromagnetic component alone. Even though the electrostatic component alone has relatively little effect, it can double the effect of the electromagnetic component when it is large and in conjunction with it. In other words, the electrostatic component together with the electromagnetic component produces a breakthrough in the insulation between sheets more rapidly.
The electrostatic stress due to the electrostatic voltage component can be reduced by decreasing the resistance of the core plate stack. When this core resistance is reduced in the median plane, that is to say along line 13 in fig. 6, this has no effect on the normal losses in iron, since there is no stress of electromagnetic voltages in this plane. The electromagnetic voltage is generally applied like the arrows A in fig. 6 show.
In addition, the same effect can be obtained if the piercing due to electrostatic stress is limited to the neutral or median plane, outside the edges of the sheets. The electrostatic voltage component is applied as arrows B in fig. 6 show.
As the voltage electromagnetic component present in the core is due to the very nature of the operation of the core, there does not appear to be a practical way to eliminate it. However,
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as a stress due to the electromagnetic component of
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the heading: 51011 is 1lu.11 in the neutral pla.n, c-1, ie along the line 13, this information is used for the realization of the present invnetion as described below.
The transformer core sheets of either the wound type, the battleship type or the open type are obtained by cutting
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vu.> sc: grating of electric steel sheet. Burrs are formed during these operations on the edges of the cut sheets or strips, so that the isolation between sheets is not as effective as they are. The isolation is therefore the weakest where. the electromagnetic voltage component is the strongest. In order to reduce the resistance and dielectric strength of the stack of sheets in the neutral plane, whether it is the cores of the leather type, open or wound, means are provided to increase 1. contact pressure between sheets in the neutral plane, along line 13 of fig. 6 for example.
As explained below, different means can be used to increase the contact pressure in the neutral plane *
In the case of cores made from a stack of sheets, such as the armored-type core shown in fig. 1 or the core of the open type, a number of sheets 15 are stacked in a well-known manner which need not be described.
After stacking a few sheets, above them are placed strips of material 16 narrower than the sheets themselves.
These strips can be taken from the same electrical steel sheet of which the normal core sheets are made. It is also possible to use strips of copper or strips of any other electrically conductive metal. It would still be possible to use strips of non-magnetic material provided that these strips contain enough metal to establish electrical contact between the sheets separated by the strips 16. However, it is preferable to use strips 16 of magnetic material, because 'they do then also
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background; oWI \ ÙlY.1t: -at part of the kernel.
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In cores comprising 16 bands, the weight of? sheets themselves greatly increase the contact pressure between sheets at the locations of the intermediate strips. As shown, these bands are found substantially at the location of the center line of the sheets. The pressure is therefore greatest in the neutral plane, as represented by line 13 at a. fig. 16. This pressure is further increased in transformers and other induction devices, when sheet metal clamps are applied.
In addition, it is evident that the contact pressure is less on the edges of the sheets than in the case of ordinary cores not provided with separation bands as in 16.
In the case of wound cores, as in fig .. it suffices, during the winding, to insert the bands 16 after a certain number of turns 17, to obtain, .. in cross section, a wound core is exhibiting as the core described above.
Like figs. 2 and..4. .the show ,, in cross section the cores with stacked sheets and the cores, wound up appear very similarly. It has been found that very good results are obtained with strips of material 16 having about one-sixth the width of the stacked sheets or the wound strip.
The core shown in a variant in FIG. 5 consists either of several turns de.bande rolled up 17 or of several stacked sheets. 15 of a determined width. After winding a number of turns 17 determined in the case of wound cores or stacking. 'Of a determined number of sheets 15, a coil is wound or a sheet 18 is deposited, the width of which is equal to two thirds of the width turns or main sheets, then the same number of main turns is wound or the same number of main sheets is deposited, again followed by a turn or a two-thirds wide sheet. The second time, the narrower strip or sheet is put on the other side of the core while overlapping the first.
We thus continue to insert sheets or strips less
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wide staggered until the core is completely wound or the sheets stacked.
As in fig. 5 shows there are groups of plates or turns 15 and 17 of electric steel sheet of a determined width in the core and, at intervals, narrower strips or sheets 18 placed alternately on one side. of the core and the other, these bands or sheets being however wide enough to overlap. The nucleus thus obtained, as in FIG. 5 shown, has a greater thickness of metal along the center line, ie in the neutral plane shown by line 13 in FIG. 6.
When the core clamps are applied, the contact pressure is greater at the center than at the edges.
In this way, the strength and the electrical rigidity of the stacked or coiled core are greatly reduced in the media plane. Therefore, any breakthrough in the insulation between sheets due to the electrostatic component in the steep front tests will occur in the midplane, where it is, in substance, irrelevant.
It will also be noted that the dielectric strength at the edges is enhanced thanks to the lower contact pressure, which reduces the chances of piercing by the electromagnetic component of the voltage which is strongest at the edges of the core.
A sufficient number of transformers of the battleship type according to the invention have been tested and compared with other transformers not according to the invention. The tests showed that the transformer cores not in accordance with the invention underwent an increase in iron losses, after the front wrinkle test, of 9.9% and a standard deviation of 6.2%. "satndard deviation" refers to a bare scientific estimate 68% of a very large number of nuclei are between the mean plus the standard deviation and the mean minus the standard deviation.
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The. "OYê..1: ¯ :: CE-'1¯CrIleS à. (TF: 1> Lv. '. T tried 1 * 1E5 3.-" zizis cn-7- Z!' B. ,, \ ,,,> mean augs.ents.tion of.,?.: .- iron of 1F3 ,, "" with a standard deviation of 23%. This ::. ':: ti t; t.:'. 3 un very unexpected improvement compared to = .:,:. â a.Devices of the same kind. it is easily conceived that this. s = ¯: w: ¯-¯ a big economy in operation of transformers.
CLAIMS
1.- Laminated core for transformers and other induction devices, comprising several sheets cut from electrical steel sheet of a determined width, characterized in that strips of conductive material narrower than the are interposed in such a way. way between some of the schools, that the contact pressure between sheets is stronger in the center of the core than on its edges.