Schichtkern für Transformatoren und Drosselspulen. Bei dem Aufbau von Eisenkernen für Transformatoren und Drosselspulen geht die Entwicklung in der Richtung, die Kerne aus Werkstoffen mit magnetischer Vorzugsrich tung herzustellen. Derartige Kerne lassen für eine gegebene Feldstärke, das heisst für einen gegebenen Magnetisierungsstrom, grössere ma gnetische Induktionen zu und führen da durch zu einer Gewichtsersparnis.
Diejenige Kernform, bei der die überlegenen magne tischen Eigenschaften von Blechen mit: magne tischer Vorzugsrichtung unverfälscht zur Wir kung kommen, ist der Bandringkern. Bei die sem ist jedoch das Aufbringen der Wick lung zeitraubend und teuer, und auch der erreichbare Wicklungsfüllfaktor ist besonders bei Ringkernen geringen Durchmessers klei ner als bei Rechteckkernen. In vielen Fällen ist es :daher erwünscht, die Kerne aus ge stanzten oder geschnittenen Blechen zu schichten.
Bei Verwendung des bisher üblichen Kern aufbaues, bei welchem die einzelnen Blech schichten aus verschiedenen gestanzten oder geschnittenen Teilen (Schnitten) zusammen gesetzt werden, so d'ass sich 'Stossfugen. er geben, macht sich der Einfluss der letzteren durch eine Verschlechterung der Magnetisie- rungskurve unangenehm bemerkbar. Es ist ferner zu beachten, dass bei Siliziumeisen im Gegensatz zu Nickeleisen keine solchen ge stanzten Schnitte verwendet werden können, bei denen der Kraftfluss stellenweise quer zur Walzrichtung des Bleches verläuft.
Wäh rend nämlich Nickeleisen zwei Vorzugsrich tungen aufweist, die beide in der Blechebene liegen und von denen die eine in der Walz- richtitng, die andere senkrecht dazu verläuft, ist bei S'iliziumeisen nur eine einzige Vor zugsrichtung vorhanden. Diese fällt mit der Walzrichtung zusammen.
In der Querrichtung dagegen sind die magnetischen Eigenschaften stark verschlechtert. .Siliziumeisenkerne inüs- sei daher aus Streifen derartig geschichtet werden, dass. die Walzrichtung des Bleches stets mit der Richtung der -magnetischen Kraftlinien übereinstimmt.
Bei einem in bekannter Weise aus recht eckigen .Streifen geschichteten Kern liegen die Stossfugen in der Verlängerung der Fen sterseiten einer Blechlage, also senkrecht zur Streifenrichtung des einen Streifens, und die Stossfugen benachbarter Lagen stehen aufein ander senkrecht. Hier könnten zwar- alle Bleche - mit der Walzrichtung in Richtung des Kraftflusses liegen, aber an jeder Stoss fuge eines Bleches tritt nahezu der gesamte Kraftfluss im durch .die Fuge unterbrochenen Blech vorübergehend in die benachbarten, durchgehenden Bleche über.
Infolgedessen ist in diesen die magnetische Induktion an der Stelle -der Stossfugen etwa doppelt so hoch wie in den übrigen Teilen. Das Eisen wird also an diesen Stellen bereits gesättigt, wenn die Induktion in den übrigen Teilen erst halb so gross wie die Sättigungsinduktion B, ist.
Mit andern Worten, bei Überschreitung von- B,/2 in den Hauptteilen des Kernes wirkt das den ,Stossfugen benachbarte, gesättigte Eisen .der durchgehenden Bleche bereits wie ein Luftspalt. Infolgedessen tritt oberhalb von B62 je nach der Länge der Stossfuge eine mehr oder weniger starke 'Scherung der Magnetisierungskurve ein.
Daher kann das Eisen nur mit ungefähr der Hälfte der Sättigungsinduktion ausgenützt werden, wenn der Magnetisierungsstrom auf derselben ge ringen Höhe bleiben soll.
Es ist bekannt (siehe ziun Beispiel. Schwei zer Patentschrift Nr.257843; Fig.3 bis 7), zur Verbesserung :d'er magnetischen Verhält nisse die Stossfugen nicht in die Verlängerung der Fensterseiten, sondern unter einem Win kel von etwa 45 diagonal zu legen. Die um schichtige Versetzung der Stossfugen erfolgt dabei durch parallele Verschiebung der Schenkelbleche in ihrer Längsrichtung bei gleichzeitigem Wenden des Jochbleches.
Der hierfür erforderliche Blechschnitt ergibt eine Jochverstärkung. Diese Ausführung setzt die Induktion neben, den Stossfugen zwar .bereits herab, beseitigt aber die Kennlinienverschlech- terung nicht in ausreichendem Masse. Die Scherung beginnt hier bei etwa<B>0,71</B> B,. Die Richtung der ,Stossfugen wird durch die er wähnte Versetzung nicht geändert. Alle Stoss fugen einer Kernecke haben die gleiche Rich tung; in benachbarten Schichten laufen sie parallel zueinander.
Demgegenüber kann durch die Erfindung die Form der Magnetisierungskurve durch weitere Verringerung des Einflusses der Stossfugen bis zu seiner völligen Beseitigung noch mehr verbessert: werden. Erfindungs- gemäss. ist der Schichtkern mit mindestens teilweise nicht in den Verlängerungen der Fensterseiten liegenden Stossfugen gekenn zeichnet durch mindestens zwei voneinander verschiedene Richtungen des Verlaufes der Übertrittskanten für :die magnetischen Kraft linien an jeder Kernecke.
In den F'ig. 1 bis 14 sind verschiedene Ausführungsbeispiele- des Schichtkernes nach der Erfindung in Ansicht und teilweise auch im Schnitt schematisch dargestellt.
Bei dem Schichtkern nach Fug. 1 und 2 liegen die Stossfugen eines 'Teils der Bleche diagonal. Die Breite der Jochbleche 7 ist gegenüber derjenigen der Schenkelbleche 8 verdoppelt. Jede zweite Schicht 7', 8' :des Kernes wird aus einem vollständigen Rahmen solcher Bleche gebildet. In den Zwischen schichten dagegen befinden sich nur Schen kelbleche 8", die aber jetzt rechtwinklig ge schnitten sind und sich bis zur äussern Um fangsfläche 6 des Kernjoches erstrecken.
Die Schenkel 8', 8" sind somit ganz mit Eisen gefüllt, die mittleren Jochpartien 7' dagegen nur zu 50 %, da die Zahl der Blechschichten in den Jochen geringer ist als in den Schen keln. Die Induktion in diesen Teilen der Joche 7 hat somit die gleiche Grösse wie die In duktion in den Schenkeln.
In den 'Stossfugen dagegen, wo der gesamte Fluss von zwei Blechen in nur einem einzigen :durchgehenden Blech verläuft, ist die Induktion
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wenn man annimmt, dass die Kraftliniendichte längs der ganzen Stossfugenbreite :die gleiche ist. In Wirklichkeit ist die Induktion zwar etwas höher, weil sich die Kraftlinien nicht bis in die äussersten. Kernecken erstrecken, doch wird sie den Wert B nicht nennenswert übersteigen.
Das Ziel, auch neben den Stoss fugen keine höheren Induktionen zu erhalten als in .denn übrigen Kernteilen, wird durch diese Anordnung erreicht, und zwar mit einer nur unwesentlichen. Gewichtszunahme gegen über der bekannten Anordnung.
Will man einen Kern mit verstärktem Jochquerschnitt ausführen, so können die Zwischenräume zwischen den rechteckigen Schenkelblechen 8", bzw. zwischen den Joch- blechen 7' noch durch ebenfalls rechteckige Jochbleche 7" zusätzlich ausgefüllt werden. Der Jochquerschnitt beträgt dann das Dop pelte des Kernquerschnittes.
Zu dem Schichtkern nach Fig.1 und 2 ohne Jochverstärkung werden drei versehie- Jene Blechschnitte gebraucht, nämlich einer für die Jochbleche, ein zweiter für die -Schen kelbleche des Rahmens und ein dritter für die rechteckigen Schenkelbleche.
Es ist auch möglich, den Kern aus nur zwei verschiedenen Blechschnitten zusammen zusetzen. In Fig. 3 ist eine derartige Schicht dargestellt. Sie hat U-Form und besteht aus einem trapezförmigen Jochblech 1 und zwei Schenkelblechen 2. 'Schichten von gleicher Ge stalt können zum Aufbau eines Kernes ab wechselnd mit um 180 gedrehter Lage über einander gestapelt werden.
Geringfügige Abweichungen von der dar gestellten Gestalt sind zulässig, ohne dass die vorteilhaften Wirkungen dadurch wesentlich beeinträchtigt- werden. Insbesondere kann auch eine verhältnismässig geringere Joch- breite unter Umständen ausreichend sein.
Eine beispielsweise nur 50prozentige Ver stärkung des Jochquerschnittes erhält man mit der Anordnung nach Fig. 4 und '5. Die Breite der Jochbleche 7', 7<B>'</B> beträgt hier nur das 1,5fache derjenigen der Schenkelbleche B. 8/..
Nach der neuen Bauart können in sinn gemässer Übertragung der Grundgedanken auch drei- und' mehrschenklige Kerne ausge führt werden. Fig.6 zeigt ein Beispiel für einen dreischenkligen gern.
Während bei den bisher beschriebenen Schichtkernen die übertxittskanten gerade verlaufen, können sie nach den weiteren Fi guren 7 bis 14 bei mindestens einem Teil der Bleche von einer Geraden abweichen. Damit können die erwähnten vorteilhaften Wirkungen unter Umständen in höherem Masse erreicht werden.
Aber auch wenn etwa zugunsten eines vereinfachten Blech schnittes Unvollkommenheiten hinsichtlich der Grösse des übertrittsquerschnittes oder der Berücksichtigung der magnetischen Vorzugs richtungen in Kauf genommen werden sollten, so kann doch die angestrebte Rechteckform. der Hystereseschleife mit, grösserer Annähe rung als mit den bekannten Formen erreicht werden, Die Fig. <B>7</B> und 8 zeigen je eine Ecke von zwei Schichtkernen, die sich von.den Bei spielen nach den Fig. 1 bis 3 dadurch un terscheiden, dass ,die Stossfugen bzw.
Über trittskanten für .die magnetischen Kraftlinien einen zickzack.. bzw. wellenliuiienförmigen Ver lauf haben. In der Ecke stossen ein Schenkel blech 1 und ein Jochbliech 2 zusammen. Die sichtbare gebrochene bzw. gekrümmte Linie ist die Stossfuge zwischen diesen beiden Blechen. In der benachbarten Blechschicht verläuft die Stossfuge nach der gestrichelten Linie.
In dieser Schicht kann das Jochblech fehlen, wenn das Joch etwa doppelt so breit ist wie der Schenkel. Der ganze Kern kann in diesem Falle aus lauter U-förmigen, Blech schichten aufgebaut sein, die aus je einem Jochblech 2 und zwei Schenkelblechen gebil det, und abwechselnd um 180 gegeneinander verdreht gestapelt sind.
Die Schenkelbleche 1 haben an ihrem freien Ende die durch die ge strichelte Linie angedeutete Form, während die Jochbleche 2 in diesem Falle symmetrisch zur Mittelachse des Kernes geformt sind.
Dass auch ohne Jochverbreiterung durch Verlängerung der Stossfugen eine Verbesse rung der Schleifen-form erzielt werden kann, ergibt sich aus den Fig. 9 und 10. In diesen wie auch in den folgenden Fig. 11 bis 14 sind ebenfalls die Schenkelbleehe mit 1 und die Jochbleche mit 2 bezeichnet. Durch .Sehwen- kung ,der Figuren um eine zur 'Zeichenebene senkrechte Achse ergeben sich die nicht dar gestellten untern Schichthälften.
Die benach- bärten 'Schichten werden in an sich bekannter Weise; zum Beispiel um die durch eine strich punktierte Mittellinie bezeichnete Achse, um 180 umgeklappt. Daraus ergibt sich dann der Stossfugenverlauf, der in den Fig. 9 bis 14 in der linken E'eke jedesmal durch eine gestri chelte Linie angegeben, ist. In der rechten Ecke ist auf diese Darstellung<B>de</B> Deutlich keit halber verzichtet worden.
Bei den Aus führungsbeispielen der Fig.9 und 10 über schneiden sich die Stossfugen bzw. Übertritts kanten, ebenso bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11, bei dem nur eine der beiden dar gestellten 'Stossfugen einen von. einer,Geraden abweichenden Verlauf hat, während die an dere geradlinig verläuft.
Eine besonders günstige Ausführungsform ist diejenige nach Fig.12 bezüglich der Be rücksichtigung .der magnetischen Vorzugsrich tungen. Eine Überschneidung er übertritts kanten ist hier vermieden, ebenso bei der Aus führungsform nach Fig. 13.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 sind die Schenkelbleche 1 symmetrisch gestal- tet und, in nur in der Längsrichtung etwas gegeneinander verscho ben.
Auch bei den: Ausführungsformen nach den Fig. 3 bis 8 kann bei ausreichender Joch- verbreiterung jedes zweite Jochblech wegge lassen und mithin, der ganze Kern aus U-för- migen Schichten, wie oben erwähnt, zusam- mengesetzt werden.
Die neue Kernbauart kommt in erster Linie für Bleche mit einer einzigen magneti schen Vorzugsrichtung, z. B. für Bleche aus Siliziumeisen, in Frage, bei deren Verwen dung die Kerne aus Streifen zusammengesetzt werden, damit der Fluss nicht stellenweise quer zur Walzrichtim-g verläuft. Die neue Bauart<B>_</B>ist jedoch auch für Bleche mit zwei magnetischen Vorzugsrichtungen, z.
B. für Bleche aus Nickeleisen, vorteilhaft, wenn die Kerne eine solche Grösse haben, dass die Schnitte aus einzelnen Streifen aufgebaut werdien müssen.
Kerne der beschriebenen neuen Bauart verwendet man mit Vorteil für 'Transforma toren und Drosselspulen; insbesondere für die Endstufen von magnetischen Verstärkern, für gleichstromvormagnetisierte Sättägungsdros- seln zur Steuerung von Trockengleichrichtern, vor allem aber auch für Schaltdrosselspulen von Impulsschaltern und Kontaktumfor mern, für die man bisher fast äusschliesslich Bandkerne benützt hat.
Layered core for transformers and reactors. When it comes to the construction of iron cores for transformers and reactors, the development is moving in the direction of producing the cores from materials with magnetic preferred direction. Such cores allow for a given field strength, that is to say for a given magnetization current, greater magnetic inductions and lead to a saving in weight.
The core shape in which the superior magnetic properties of sheet metal with a preferential magnetic direction come into effect without distortion is the ring core. In this case, however, the application of the winding is time-consuming and expensive, and the achievable winding fill factor is smaller than that of rectangular cores, especially with small-diameter toroidal cores. In many cases it is: therefore desirable to layer the cores from punched or cut metal sheets.
When using the hitherto customary core structure, in which the individual sheet metal layers are put together from various punched or cut parts (cuts), so d'ass' butt joints. he give, the influence of the latter makes itself unpleasantly noticeable through a deterioration in the magnetization curve. It should also be noted that with silicon iron, in contrast to nickel iron, no such punched cuts can be used in which the force flow runs in places transversely to the direction of rolling of the sheet.
While nickel iron has two preferred directions, both of which lie in the plane of the sheet and of which one runs in the rolling direction and the other perpendicular to it, silicon iron has only one preferred direction. This coincides with the rolling direction.
In contrast, in the transverse direction, the magnetic properties are greatly deteriorated. .Silicon iron cores should therefore be layered from strips in such a way that the rolling direction of the sheet always coincides with the direction of the magnetic lines of force.
With a core layered in a known manner from rectangular .Streifen, the butt joints are in the extension of the window sides of a sheet metal layer, that is, perpendicular to the direction of the strip of one strip, and the butt joints of adjacent layers are perpendicular to one another. Here - all sheets - could lie with the rolling direction in the direction of the force flow, but at every joint of a sheet, almost the entire force flow in the sheet interrupted by the joint is temporarily transferred to the adjacent, continuous sheets.
As a result, the magnetic induction at the point of the butt joints is about twice as high as in the other parts. The iron is therefore already saturated at these points when the induction in the remaining parts is only half as great as the saturation induction B.
In other words, if-B, / 2 is exceeded in the main parts of the core, the saturated iron adjacent to the butt joints already acts like an air gap. As a result, depending on the length of the butt joint, a more or less strong shear of the magnetization curve occurs above B62.
Therefore, the iron can only be used with about half the saturation induction if the magnetizing current is to remain at the same low level.
It is known (see ziun example. Swiss Patent No. 257843; Fig.3 to 7) to improve: d'er magnetic ratios the butt joints not in the extension of the window sides, but at an angle of about 45 diagonally lay. The shifting of the butt joints in layers takes place by parallel displacement of the leg plates in their longitudinal direction while turning the yoke plate at the same time.
The sheet metal cut required for this results in a yoke reinforcement. This version admittedly reduces the induction in addition to the butt joints, but does not sufficiently eliminate the deterioration in the characteristic curve. The shear starts here at about <B> 0.71 </B> B ,. The direction of the butt joints is not changed by the offset mentioned. All butt joints in a core corner have the same direction; in adjacent layers they run parallel to one another.
In contrast, the shape of the magnetization curve can be improved even more by further reducing the influence of the butt joints until it is completely eliminated. According to the invention. If the layer core is marked with butt joints that are at least partially not in the extensions of the window sides, it is characterized by at least two different directions of the course of the overflow edges for: the magnetic lines of force at each core corner.
In the fig. 1 to 14 various exemplary embodiments of the layer core according to the invention are shown schematically in a view and partly also in section.
With the layer core according to Fug. 1 and 2 are the butt joints of a 'part of the sheets diagonally. The width of the yoke plates 7 is doubled compared to that of the leg plates 8. Every other layer 7 ', 8': of the core is formed from a complete frame of such sheets. In the intermediate layers, on the other hand, there are only leg plates 8 ", but they are now cut at right angles ge and extend to the outer order circumferential surface 6 of the core yoke.
The legs 8 ', 8 "are thus completely filled with iron, the middle yoke parts 7' on the other hand only 50%, since the number of sheet metal layers in the yokes is less than in the legs. The induction in these parts of the yokes 7 has thus the same size as the induction in the thighs.
In the 'butt joints, on the other hand, where the entire flow of two sheets runs in just one single sheet, there is induction
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if one assumes that the density of the lines of force along the entire width of the butt joint: is the same. In reality the induction is a bit higher because the lines of force do not extend into the outermost. Core corners extend, but it will not significantly exceed the value B.
The aim of not getting any higher induction than in the other core parts, even next to the butt joints, is achieved by this arrangement, and with only an insignificant one. Weight increase compared to the known arrangement.
If a core is to be designed with a reinforced yoke cross-section, the intermediate spaces between the rectangular leg plates 8 ″ or between the yoke plates 7 ′ can also be additionally filled by likewise rectangular yoke plates 7 ″. The yoke cross-section is then twice the core cross-section.
For the layer core according to FIGS. 1 and 2 without yoke reinforcement, three different sheet metal cuts are needed, namely one for the yoke plates, a second for the side plates of the frame and a third for the rectangular side plates.
It is also possible to assemble the core from just two different sheet metal cuts. Such a layer is shown in FIG. It has a U-shape and consists of a trapezoidal yoke plate 1 and two leg plates 2. 'Layers of the same Ge shape can be stacked on top of each other to build a core from alternately with the position rotated by 180.
Slight deviations from the shape shown are permitted without the beneficial effects being significantly impaired. In particular, a relatively smaller yoke width may also be sufficient under certain circumstances.
For example, only 50 percent strengthening of the yoke cross section is obtained with the arrangement according to FIGS. 4 and 5. The width of the yoke plates 7 ', 7 <B>' </B> is only 1.5 times that of the leg plates B. 8 / ..
According to the new design, three-legged and 'multi-legged cores can be carried out in a corresponding transfer of the basic ideas. Fig.6 shows an example of a three-legged like.
While in the layer cores described so far, the extension edges run straight, according to the other Fi gures 7 to 14 they can deviate from a straight line in at least some of the sheets. In this way, the mentioned advantageous effects can under certain circumstances be achieved to a greater extent.
But even if imperfections with regard to the size of the cross-section or the consideration of the preferred magnetic directions should be accepted in favor of a simplified sheet metal cut, the desired rectangular shape can still be accepted. the hysteresis loop with greater approximation than can be achieved with the known forms, Figs. 7 and 8 each show a corner of two layer cores that differ from the case of FIGS. 1 to 3 Differentiate by the fact that the butt joints or
Over step edges for .die magnetic lines of force have a zigzag .. or wavy line. A leg plate 1 and a yoke plate 2 meet in the corner. The visible broken or curved line is the butt joint between these two sheets. In the adjacent sheet metal layer, the butt joint runs along the dashed line.
The yoke plate can be missing in this layer if the yoke is about twice as wide as the leg. The whole core can in this case be made up of nothing but U-shaped sheet metal layers, each of which is a yoke plate 2 and two leg plates gebil det, and are stacked alternately rotated by 180 against each other.
The leg plates 1 have at their free end the shape indicated by the dashed line GE, while the yoke plates 2 are shaped symmetrically to the central axis of the core in this case.
9 and 10. In these as well as in the following FIGS. 11 to 14, the leg brackets with 1 and the yoke sheets are also shown without widening the yoke by lengthening the butt joints labeled 2. By pivoting the figures about an axis perpendicular to the plane of the drawing, the lower layer halves (not shown) result.
The neighboring layers are made in a manner known per se; For example, around the axis indicated by a dash-dotted center line, folded over by 180. This then results in the butt joint course, which is indicated in FIGS. 9 to 14 in the left-hand corner each time by a dashed line. This representation has been omitted in the right corner for the sake of clarity.
In the exemplary embodiments of FIGS. 9 and 10, the butt joints or transition edges intersect, as is the case with the embodiment according to FIG. 11, in which only one of the two butt joints is one of. one, straight line has a different course, while the other straight line.
A particularly favorable embodiment is that according to FIG. 12 with regard to the consideration of the magnetic preferred directions. An overlapping of the overflow edges is avoided here, as is the case with the embodiment according to FIG. 13.
In the embodiment according to FIG. 14, the leg plates 1 are designed symmetrically and are only slightly displaced from one another in the longitudinal direction.
Also in the case of the embodiments according to FIGS. 3 to 8, if the yoke is widened sufficiently, every second yoke plate can be omitted and consequently the entire core can be composed of U-shaped layers, as mentioned above.
The new core type comes primarily for sheets with a single magnetic rule preferential direction, z. B. for sheets made of silicon iron, in question, in whose use the cores are composed of strips so that the flow does not run in places across the rolling straightening. The new type <B> _ </B> is also suitable for sheets with two preferred magnetic directions, e.g.
B. for sheet metal made of nickel iron, advantageous if the cores are of such a size that the cuts must be constructed from individual strips.
Cores of the new type described are used with advantage for 'Transforma gates and reactors; in particular for the output stages of magnetic amplifiers, for DC-biased saturation chokes to control dry rectifiers, but above all for switching inductors of pulse switches and contact converters, for which tape cores have so far been used almost exclusively.