Verfahren zur Herstellung eines Gerätes mit Spulen und mit ferromagnetischem Ringkern. 1@:, wurde bereits vorgeschlagen, Umspan- MT oder Drosselspulen mit Ringkernen an 'Stelle der üblichen rechteckigen Kerne auszu führen.
Umspanner dieser Bauweise zeigen eine Re ilie von Vorteilen, ii. a. den Vorteil ge ringer 'Streuung und geringen -lagnetisie- i*ungssti,omes, wenn der ferromagnetische Korn tu",enlos, z. B. aus gestanzten Blechrin- aufgebaut wird.
Die Wieklung wird auf derarti@chisenkerne ohne Luftspalt durch c,ine 1;iii'wiekelmaschine aufgebracht, ein Ver- falireii, welches bei grösseren Stromstärken iiiiistiindlieh ist.
Naeli dem Verfahren gemäss der Erfindung l;;inn die Herstellung eines Gerätes mit Spu- li-ii und mit einem ferromagnetisehen Ring kern, z. B.
eines Unispanners oder einer Dros- Nelspule, dadurch verbessert werden, dass dem Querschnitt des Rüigkernes angepasste U-för- wige Bügel naeli dem Aufbringen auf den Kein mittels geraden Stücken unlösbar, z. B. durch Löten, Sehweissen oder Nieten, mitein ander verbunden werden.
Als -Material für den Eisenkern konimt Voll allem eine Eisenlegierung mit einigen Pro zent Silizittni und/oder andern Zusätzen, wie beispielsweise Kobalt, in Frage. Diese Mate rialien können so geglüht und gewalzt wer den, dass sie bereits bei kleinen Feldstärken hohe Magnetisierungen, beispielsweise 12 000 bis 1.7 000 Gauss bei etwa, 1 A-V /em, aufwei sen. Gleielizeitig wird dabei der Hysteresever- lost gering, während sich die Wirbelströme durch Wahl genügend geringer Blechstärke ebenfalls klein halten lassen.
Im folgenden werden an Hand der Zeich nung Ausführungsbeispiele der Erfindung er läutert. Der kreisringförmige Eisenkern 1 ist. aus zwei übereinandergesetzten Bandkernen zusammengefügt und aus dünnem Band auf gewickelt. Die Höhe dieses Kernes ist. etwa doppelt so gross wie die radiale Breite, da sich bei diesen Abmessungen das geringste Gesamt gewieht erzielen lässt, Der Eisenkern 1 ist. von Isolierrohren 2 und 3 und Isolierungen 4 und 5 umgeben. Diese werden zum Beispiel durch ZTmwickeln finit Isolierband gehalten, wobei das Band gleichzeitig die Fugen an den vier Ecken des Kernes ausreichend isoliert.
Auf den so isolierten Eisenkern werden die innern Windungsbügel 14 aufgeschoben, welche U-för- mig sind und am äussern Umfang durch ge rade Streifen 6 miteinander verbinden wer den. Diese Streifen können zum Beispiel durch Punktschweissen mit 14 verbunden sein. 14 und 6 sind an den äussern Ecken stark abge rundet. Durch Isolierrohre 7 und 8 und Iso lierringe 9 und 10 wird die innere Wicklung gegen die äussere isoliert, welche ihrerseits aus U-förmigen Windungsbügeln 11 und geraden Stücken 12 besteht.
Die Wicklung passt der art fest auf den Eisenkern, dass keine Halte konstruktion erforderlich ist; vielmehr kann man das fertiggewickelte Gerät innen auf ein Isolierrohr schieben und so einbauen. Auf diese Weise kann der hochwertige Kern me ehaniscli entlastet und die Tragkonstruktion an der Wieklring befestigt werden. Bei diesem Einbau kann das Potential des Eisenkernes von Erde verschieden sein. Dies ergibt unter Umständen eine Verringerung der Isolier beanspruchung zwischen der innern Wicklung und dein Eisenkern.
Man kann auch den Ei senkern auf das halbe Potential der innern Wicklung bringen, indem man ihn mit der Mitte der innern Wicklung leitend verbindet. Da der Platz längs des Umfanges, der für eine Einzehvindung zur Verfügung steht, nach aussen hin mit dem Abstand von der Achse zunimmt, kann man den Wieklungsbleehen ganz oder teilweise keilförmig nach aussen hin zunehmende Dicke geben. Die Ausnutzung des Platzes wird am vollkommensten, wenn man die Dicke der Wicklungsbleche einschliesslich ihrer Isolation proportional mit dem Abstand von der Achse zunehmen lässt.
Dabei ist. es notwendig, dass die Verbindung zwischen 14 und 6 bzw. zwischen 11 und 12 beispielsweise durch Stumpfschweissen hergestellt wird. Eine derartige Verbindung lässt sich aber auch durch Hartlöten oder Schweissen unter Schutz as herstellen. Bemisst man das Spulengerät nach kleinst möglichem Gewicht, so ergibt sieh bei Leistun gen in der Grössenordnung von 10 kV A eine Windungsspannung von der Grössenordnung 1 V.
Die Spannungsbeanspruchung zwischen den nebeneinanderliegenden Windungen ist so gering, dass man mit kleinster Isolierungs- dicke, beispielsweise einer Papierbeklebung oder bei Aluminium mit einer aufgebrachten Oxydschieht, welche durch eine Lackierung verstärkt sein kann, auskommt. Uni bei gege benen Verlusten mit geringstem Werkstoff- aufwand auszukommen, ist es erforderlich, die Höhe des W ieklungsauftrages innen geringer zri wählen als aussen und oben und un ten in der Zeichnung.
Dies ist bei Draht wicklungen nicht möglich, bei der beschrie benen Wicklung aber ohne weiteres ausführ bar, wenn man die Windungsbügel beispiels- weise aus Blech ausstanzt. Dabei wird inan die Abmessungen des Eisenkernes und die Höhe des Wicklungsauftrages so wählen, dass sieh ein möglichst geringer Stanzverlust ergibt, nämlich,
man wird die Höhe des Kernes reich lich doppelt so gross wählen wie die gemein same Höhe von Primär- und Sekundärwin- dungsbügel. Die primären und sekundären U-förmigen Windungsbügel lassen sieh in einem Arbeitsgang mit einem '.-,t.anzwerkzeu#1,herstellen, wobei nur der durch die Isolation 7, 8, 9, 10 auszufüllende Spalt an Leitermaterial abfällt.
Die beschriebene Konstruktion weist eine verhältnismässig grosse Leiterhöhe senkrecht zu den. Streukraftlinien auf, -as Wirbelströme zur Folge hat. Bei V erwendun, von Aluirii- nium lä13t sieh jedoch dabei auch bei #Viek- lungshöhen in der Grössenordnung von 1.0 bis 20 min diese Widerstandserhöhung in trag- baren Grenzen halten.
Die Vorteile, -elche das beschriebene Spulengerät bezüglieli der Mate rialausnutzung ergibt, sind so gross, dass sieh die Widerstandserhöhung durch Wirbelströme in Kauf nehmen lässt. Beispielsweise lassen sieh auf diese Weise Umspanner bauen,
welche bei gleichen Vollastverlusten und gleicher Lei- stuirg weniger als das halbe Gewicht der übli- ehen Umspanner mit rechteckig gesehaehtelten Eisenkernen und Dralitwieklun- haben. Damit ein -Minimum an Werkstoffaufwand erreicht wird, ist es auch erforderlich, dass die Wiek- lungshölie in einem bestimmten Verhältnis zu den Abmessungen des Eisenkernes steht.
So wählt man vorteilhaft eine gesamte Wiek- lung;shöhe, welche 0,2 bis 0,4 der Breite des Eisenkernes ausmacht. Den Durchmesser des Eisenkernes wählt man zwei- bis viermal grö sser als die radiale Breite des Eisenkernes, während, wie schon gesagt. die Höhe des Ei senkernes etwa doppelt so gross wie die radiale Breite sein muss.
Von besonderer Wichtigkeit zur Erzielung geringsten Gewichtes ist es, Ei senquerschnitt und Windunszahl zweckmässig zu wählen. Bei mittleren Leistungen von etwa 5 bis 10<B>kV A</B> ist es vorteilhaft, Windungs- spannungen von 1 V oder darunter aus7ufüh- ren. handelt, es sich um den Bau von mehr phasigen Umspannern, so ist man gezwungen,
1'ür jede Phase einen getrennten Eingumspan- iier zii verwenden. Trotzdem bleibt auch bei mehrphasigen Umspannern das Baugewicht in vielen Fällen nur halb so gross wie das nor- nialer, üblicher Umspanner mit einem mehr- sclienkligen Kern.
Die Vorteile, die sich durch den besehrie- lie#tien Umspanner erzielen lassen, bestehen ausser in der Einsparung von Werkstoff darin, dass der Leerlaufstrom ausserordentlich gering ist. Da ausserdem infolge des hochwertigen Eisens die Eisenverluste je (lewiehtseinheit klein sind und das Eisengewieht an sieh ver hältnismässig gering ist, so ergeben sieh im Verhältnis zum normalen Umspanner sehr ge ringe Eisenverluste. Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad bei Teillast und bei Leer lauf besonders günstig wird.
Ist ein bestimm ter mittlerer Wirkungsgrad vorgeschrieben, so wirkt sieh dieser wiederum dahin aus, dass der Wirkungsgrad bei Vollast und damit das ssau@Iewicht weiter verringert werden kann.
Die beschriebene Wieklungsanordnung eig net sieh besonders für solche Fälle, wo grosse Verhiste zugelassen sind, wie z. B. in Verbin- dbin; mit ineehanisehen Stromrichtern. Da letztere Geräte nur geringfügige eigene Ver loste aufweisen, kann man oft im Umspanner erhöhte Verluste zulassen.
Die üblichen U m spannerkonstruktionen gestatten dies mit IZiieksielit auf ihre Erwärmung nicht ohne weiteres. Uni die abkühlende Oberfläche zu vergrössern, kann man einen Teil der Win- < lungen der äussern Wicklung, z. B. jede zweite oder dritte, mit, grösserer Breite ausführen, so dass sie als Kühlfahne (i.3 in der Zeichnung) wirkt..
Die Ausnutzung des Eisens wird dadurch hesser, wenn der kreisringförmige Kern aus geWiekeltein, ferromagnetischem Band aufge baut wird, welches eine magnetische Vorzugs richtung aufweist. Die Geräte können mit so geringen Abmessungen durchgeführt werden, dass ihre Betriebstemperatur auch bei norma len Verlusten verhältnismässig hoch wird. Die beschriebene Wicklung gestattet es jedoch, be- triebsmässige Erwärmungen zuzulassen, welche weit. über das übliche Mass von beispielsweise 60 C hinausgehen.
Dabei kann man zur Iso lation der Wicklung vom Eisenkern letzteren mit wärmefesten Materialien, wie keramischem Material oder Hartpapier, oder durch Umwik- keln von Glas- oder Asbestband unter gleich zeitigem Tränken mit wärmebeständigen Iso- lierlacken isolieren. Die Isolation der Windun gen gegeneinander kann man durch entspre chende Oberflächenbehandlung, wie Lackie ren, Emaillieren, Eloxieren usw., erzielen. Auf diese Weise lässt sich ohne Schwierigkeit ein Umspanner bauen, welcher betriebsmässig Temperaturen bis zu 150 C oder darüber ohne Schaden dauernd erträgt.
Dies hat zur Folge, dass man bei grösseren Leistungen in der Lage ist, noch ohne künstliche Kühlung bzw. nur mit Luftkühlung auszukommen, wo man sonst die lästige Ölkühlung anwenden müsste.
Handelt es sich um einen Umspanner mit zwei Wieklungen, so kann man die Wieklun- gen auf dem Umfang entweder in einer Lage nebeneinander in zwei Abteilungen oder auch in mehreren ineinandergeschaehtelten Abtei lungen ausführen; man kann jedoch auch die beiden Wicklungen übereinander anordnen. Die Isolation der beiden Wicklungen gegen einander erfolgt in diesem Fall beispielsweise dadurch, dass man die innere Wicklung aussen durch Isolierringe und Rohre umkleidet, wobei man zusätzlich noch eine Umwickhmg oder Tränkung vorsehen kann.
Um in den Ecken, wo die Isolation unter Umständen-Fugen und Spalte aufweist, einen genügenden Kriechweg zu erhalten, kann man die innern _V-NTindungs- bügel an den äussern Ecken abrunden.
Process for the production of a device with coils and with a ferromagnetic toroidal core. 1 @ :, it has already been proposed to perform Umspan- MT or choke coils with toroidal cores instead of the usual rectangular cores.
Umspanner this type of construction show a range of advantages, ii. a. the advantage of low scattering and low orientation sti, omes if the ferromagnetic grain is made up endlessly, e.g. from punched sheet metal rings.
The weighing is applied to such chisel cores without an air gap by a c, ine 1; iii 'weighing machine, a failure which is indispensable for larger currents.
Naeli the method according to the invention l ;; inn the production of a device with Spul-ii and core with a ferromagnetic ring, z. B.
a uni-tensioner or a Dros-Nelspule, can be improved in that U-shaped brackets adapted to the cross-section of the back core are inseparable after being applied to the bar by straight pieces, e.g. B. by soldering, Sehweissen or riveting, mitein are connected to each other.
A suitable material for the iron core is all an iron alloy with a few percent silicon and / or other additives, such as cobalt. These materials can be annealed and rolled in such a way that they have high magnetizations, for example 12,000 to 1.7,000 Gauss at around. 1 A-V / em, even at low field strengths. At the same time, the hysteresis is loosely low, while the eddy currents can also be kept small by choosing a sufficiently small sheet thickness.
In the following embodiments of the invention will be explained using the drawing voltage. The annular iron core 1 is. put together from two superposed tape cores and wound on from thin tape. The height of this core is. about twice as large as the radial width, since with these dimensions the smallest overall weight can be achieved. The iron core 1 is. surrounded by insulating tubes 2 and 3 and insulation 4 and 5. These are held in place, for example, by wrapping finite insulating tape, with the tape at the same time sufficiently insulating the joints at the four corners of the core.
The inner winding brackets 14, which are U-shaped and connect to one another on the outer circumference by straight strips 6, are pushed onto the iron core so insulated. These strips can be connected to 14 by spot welding, for example. 14 and 6 are rounded off strongly at the outer corners. By insulating tubes 7 and 8 and Iso lierringe 9 and 10, the inner winding is isolated from the outer winding, which in turn consists of U-shaped winding brackets 11 and straight pieces 12.
The winding fits tightly onto the iron core in such a way that no support structure is required; Rather, the fully wound device can be pushed onto an insulating tube and installed in this way. In this way, the high-quality core me ehaniscli can be relieved and the supporting structure can be attached to the Wieklring. With this installation the potential of the iron core can be different from earth. Under certain circumstances, this results in a reduction in the insulation stress between the inner winding and your iron core.
The iron core can also be brought to half the potential of the inner winding by connecting it to the middle of the inner winding. Since the space along the circumference that is available for a single twist increases towards the outside with the distance from the axis, the weight can be given a wholly or partially wedge-shaped thickness increasing towards the outside. The use of space is most perfect if the thickness of the winding sheets, including their insulation, increases proportionally with the distance from the axis.
It is. it is necessary that the connection between 14 and 6 or between 11 and 12 is made, for example, by butt welding. Such a connection can also be produced by brazing or welding with protection as. If the coil device is dimensioned according to the smallest possible weight, this results in a winding voltage of the order of 1 V for outputs in the order of magnitude of 10 kV A.
The tension between the adjacent turns is so low that you can manage with the smallest insulation thickness, for example a paper sticker or, in the case of aluminum, with an applied oxide layer, which can be reinforced by a coating. Uni to get by with the least amount of material given the given losses, it is necessary to select a lower level of the repair order inside than outside and above and below in the drawing.
This is not possible with wire windings, but can easily be done with the winding described, if the winding brackets are punched out of sheet metal, for example. The dimensions of the iron core and the amount of the winding order are selected in such a way that the punching loss is as low as possible, namely
the height of the core will be chosen to be twice as large as the joint height of the primary and secondary winding stirrups. The primary and secondary U-shaped winding brackets can be produced in one operation with a punching tool # 1, with only the gap of conductor material to be filled by the insulation 7, 8, 9, 10 falling off.
The construction described has a relatively large ladder height perpendicular to the. Stray force lines, -as eddy currents result. If aluminum is used, however, this increase in resistance can be kept within acceptable limits, even if it is in the range of 1.0 to 20 minutes.
The advantages -elche the coil device described with respect to the material utilization results are so great that you can accept the increase in resistance caused by eddy currents. For example, you can build transformer in this way,
which, with the same full load losses and the same power, have less than half the weight of the usual Umspanner with rectangular iron cores and twisted wires. In order to achieve a minimum of material expenditure, it is also necessary that the weight of the body has a certain relationship to the dimensions of the iron core.
So it is advantageous to choose a total wave height which is 0.2 to 0.4 of the width of the iron core. The diameter of the iron core is chosen two to four times larger than the radial width of the iron core, while, as already said. the height of the egg core must be about twice as large as the radial width.
In order to achieve the lowest possible weight, it is particularly important to choose the iron cross-section and number of windings appropriately. With average powers of around 5 to 10 kV A, it is advantageous to use winding voltages of 1 V or below. If you are building multi-phase transformers, you are forced to
Use a separate encasement for each phase. In spite of this, even with multi-phase transformers, the structural weight in many cases is only half as large as that of normal, conventional transformer with a multi-branch core.
The advantages that can be achieved with the described transformer, apart from the saving of material, consist in the fact that the no-load current is extremely low. In addition, since the iron losses per weight unit are small as a result of the high-quality iron and the iron weight is relatively small, the iron losses are very low compared to the normal transformer. This has the consequence that the efficiency at part load and idling is particularly cheap.
If a certain mean efficiency is prescribed, this in turn has the effect that the efficiency at full load and thus the weight can be further reduced.
The weighing arrangement described eig net see especially for those cases where large Verhiste are allowed, such. B. in connection; with ineehanical converters. Since the latter devices only have a slight loss of their own, you can often allow increased losses in the transformer.
The usual U m tensioner constructions do not allow this with IZiieksielit on their heating. To enlarge the cooling surface, you can use some of the turns of the outer winding, e.g. B. run every second or third, with, larger width, so that it acts as a cooling flag (i.3 in the drawing) ..
The utilization of the iron is better if the annular core is built up from geWiekeltein, ferromagnetic tape, which has a preferred magnetic direction. The devices can be made with such small dimensions that their operating temperature is relatively high even with normal losses. However, the winding described allows operational heating to be permitted which is far. go beyond the usual level of 60 C, for example.
To insulate the winding from the iron core, the latter can be insulated with heat-resistant materials, such as ceramic material or hard paper, or by wrapping glass or asbestos tape while soaking it with heat-resistant insulating varnish. The insulation of the windings from one another can be achieved by appropriate surface treatment such as painting, enamelling, anodizing, etc. In this way, a transformer can be built without difficulty, which can continuously withstand temperatures of up to 150 ° C. or above without damage.
The consequence of this is that with higher performance you are able to get by without artificial cooling or only with air cooling, where you would otherwise have to use the annoying oil cooling.
If it is a Umspanner with two cradles, the cradles on the circumference can either be carried out in one layer next to one another in two compartments or in several interconnected compartments; however, the two windings can also be arranged one above the other. In this case, the two windings are isolated from one another, for example, by wrapping the inner winding on the outside with insulating rings and pipes, with additional wrapping or impregnation being possible.
In order to obtain a sufficient creepage path in the corners, where the insulation may show joints and gaps, the inner _V-T connecting bracket can be rounded off at the outer corners.