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Magnetkern, insbesondere für Transformatoren oder Drosseln Für die Kerne von elektromagnetischen Induktions- einrichtungen, wie Transformatoren, Drosselspulen oder dergleichen, sind sehr mannigfaltige Bauformen bekannt. Die einzelnen Konstruktionen sind im wesentlichen jeweils nach zwei Hauptanforderungen ausgerichtet, nämlich einerseits günstige magnetische (Betriebs-)Eigenschaften und anderseits rationelle, arbeits- und materialsparende Herstellung. Die bekannten Kernformen stellen durchwegs einen Kompromiss dar, indem bezüglich des einen oder andern dieser beiden Gesichtspunkte Nachteile in Kauf genommen werden.
Wohl am häufigsten werden Magnetkerne verwendet, die aus einer Mehrzahl von ebenen Blechlamellen mit bestimmten, gestanzten Umrissen geschichtet sind (sogenannte UI- oder EI-Kerne). Bei diesen Schichtkernen ist nachteilig, dass das Einschichten der Einzelbleche in die Wicklung eine zeitraubende Handarbeit darstellt und sich einer Automatisierung hartnäckig entzieht. Dabei besteht auch dauernd die Gefahr einer Beschädigung der Wicklung durch die scharfen Blechkanten. Ferner ergibt sich beim Ausstanzen der Bleche in der Regel ein beträchtlicher Materialabfall. Wohl sind Spezialformen bekannt, bei denen der Abfall stark herabgesetzt ist, doch beruhen diese Formen auf ganz bestimmten Massverhältnissen (insbesondere Stegbreite/ Fensterbreite), deren Einhaltung die Formgebung, z.
B. eines Transformators, stark einschränkt bzw. zu schlechteren Betriebseigenschaften und einem ungünstigen Eisen/Kupfer-Verhältnis führt.
Dem erwähnten, aus flachen Formblechen geschichteten Kern steht der aus einem Blechband von passender Breite gewickelte Ringbandkern gegen- über. Dieser weist zunächst bedeutende Vorteile auf, nämlich geringer Abfall, einfache Herstellung (wickeln) und hohe Anpassungsfähigkeit bei der Dimensionierung unter Verwendung von einfachen, verstellbaren Wickelvorrichtungen, das heisst, weitgehend freie Wahl der Fensterfläche, Bandbreite, Anzahl der Blechlagen, Schenkellänge usw.
Besonders angezeigt ist diese Kernform bei Verwendung von Blechsorten mit magnetischer Vorzugsrichtung, da hierbei die magnetischen Kraftlinien über ihre ganze Länge im Kern in dieser Vorzugsrichtung (Längsrichtung des Blechstreifens bzw. Walzrichtung) verlaufen, im Gegensatz zu den eingangs genannten Schichtkernen.
Die dem Ringbandkern anhaftenden Nachteile zeigen sich hingegen beim Zusammenbau von Kern und Wicklung: Geht man von einem geschlossenen Ringkern aus, so muss die Wicklung mit komplizierten Spezialmaschinen oder von Hand aufgebracht werden; beides ist umständlich und wird nur in Sonderfällen angewendet. Häufiger sind Konstruktionen, bei denen ein Ringkern aus zwei separaten, U-förmi- gen Kernhälften zusammengesetzt wird, die über die vorbereitete Wicklung gesteckt werden.
Die Kernhälf- ten können dabei voneinander getrennt oder durch Auftrennen eines vorerst geschlossenen Ringbandkerns gewonnen werden (sogenannter Schnittbandkern).
Aber auch mit solchen zusammengesetzten Ring- kernen konnte bis anhin keine durchwegs befriedigende Lösung gefunden werden. Die Hauptschwierigkeit liegt darin, den Einfluss der Luftspalte zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen der beiden Kernhälften herabzusetzen. Besonders wichtig ist dies bei der Verwendung von Blechen mit magnetischer Vorzugsrichtung wegen der dort erreichbaren erhöhten Induktion im Kern. Die Verhältnisse liegen so, dass ein schlecht gestalteter Luftspalt die durch Anwendung eines hochwertigen Blechmaterials erzielten Vorteile ohne weiteres wieder zunichte
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macht.
Zusätzliche Schwierigkeiten bereiten beim Schnittbandkern auch die Elastizität des Bleches (auseinanderfächern des Blechpaketes nach dem Auftrennen), Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften durch mechanische Spannung beim Biegen, Kurzschlüsse zwischen benachbarten Blechlagen durch das Auftrennen des Ringkernes usw.
Aus allen diesen Gründen erfordert die Herstellung von Schnittbandkernen eine aussergewöhnliche Sorgfalt und zahlreiche, zum Teil komplizierte Arbeitsgänge, wie Glühen des gewickelten Ringkerns in neutraler Atmosphäre, Imprägnieren mit Kunstharzmasse, Auftrennen des Kerns, Schleifen und Läppen der Stossflächen. Der grosse Fabrikationsaufwand und der daraus resultierende Preis für solche Kerne stehen natürlich einer allgemeinen Verbreitung entgegen.
Anderseits ist es bekannt, dass der schädliche Luftspalteinfluss dadurch stark vermindert und praktisch beseitigt werden kann, dass die Blechenden in benachbarten Blechschichten einander überlappen, das heisst die Stossstellen der Einzelbleche in Längsrichtung der magnetischen Kraftlinien versetzt sind.
Versuche in dieser Richtung sind auch bei den erwähnten, aus zwei U-förmigen Hälften zusammengesetzten Ringkernen unternommen worden, und zwar derart, dass die Blechenden abwechselnd länger und kürzer bemessen wurden, wobei die einander zugekehrten Schenkelenden der U-förmigen Kern- hälften kammartig ineinandergreifen sollten.
Es zeigt sich aber, dass diese Massnahme'der alternierenden überlappung in der Praxis ebenfalls versagt. Infolge der auftretenden Dickenabweichungen der handels- üblichen Bleche - die sich im Blechstapel über mehrere Blechschichten addieren - gelingt es nicht, die kammartigen Schenkelenden gegenseitig zum Passen zu bringen, diese lassen sich deshalb kaum oder nur mit grosser Mühe ineinanderfügen, wobei an den einzelnen Blechlappen die Blechisolation verletzt wird, was erhöhte Wirbelstromverluste zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten mannigfaltigen Schwierigkeiten zu beseitigen. Sie geht aus von einem Magnetkern, insbesondere für Transformatoren oder Drosseln, mit mindestens einem Paar von U-förmigen Kernteilen, die mit gegeneinander gekehrten U- Schenkeln einen geschlossenen Magnetkreis bilden und je aus einer Mehrzahl gebogener Blechstreifen geschichtet sind, wobei in benachbarten Blechschichten die Stossstellen von je zwei Streifenenden in Längsrichtung der U-Schenkel versetzt sind.
Es wird dabei eine besonders einfache, weitgehend mechanisierte Kernherstellung in zwei vorfabrizierten Kernteilen angestrebt, die zur Fertigmontage in einfacher Weise über die vorbereitete Wicklung zum geschlossenen Magnetkreis zusammengefügt werden können, wobei zur Beseitigung des Luftspaltein- flusses von einer überlappung der benachbarten Blechenden Gebrauch gemacht wird.
Die angestrebten Ziele werden erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Schenkellängen der Einzelbleche mindestens über Gruppen von mehreren benachbarten Blechen in einer Richtung fortschreitend abgestuft sind, so dass die Blechenden jedes Schenkels zusammen treppen- oder sägezahnartig abgestufte Schenkel-Stirnflächen bilden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen perspektivisch zwei unterschiedliche, einander zuzuordnende Kernteile, Fig. 3 ist die schematische Darstellung eines vollständigen, mit Kernteilen nach Fig. 1 und 2 zusammengebauten Ringkerntransformators, Fig. 4 stellt eine Variante eines Ringkerns dar, welcher aus zwei identischen Kernteilen besteht, Fig. 5 und 6 veranschaulichen zwei Blechstapel, die, nach Durchführung eines Biegeprozesses, die beiden Kernteile für einen Kern nach Fig. 7 ergeben, Fig. 8 zeigt einen anderen Blechstapel, deren zwei einen Kern nach Fig. 9 ergeben, und Fig. 10,
11 und 12 stellen besondere Varianten von Kernen dar.
Die Fig. 1 zeigt einen U-förmigen Kernteil A, welcher aus einer Mehrzahl von entsprechend U- förmig, gebogenen Blechstreifen 2 geschichtet ist. Die Längen der seitlichen Schenkel der symmetrischen Einzelbleche sind dabei von innen nach aussen fortschreitend um einen bestimmten, gleichbleibenden Betrag verkürzt, so dass die Blechenden 4 jedes Schenkels zusammen eine treppenartig abgestufte Schenkel-Stirnfläche bilden.
Der Kernteil B nach Fig.2 unterscheidet sich vom beschriebenen Kernteil A nur dadurch, dass die Verkürzung der Schenkel von aussen nach innen fortschreitet. Dadurch entstehen zwei ähnliche, jedoch nach innen geneigte Schenkel-Stirnflächen, welche auf diejenigen des Kernteils A passen. Die Kernteile A und B lassen sich somit paarweise mit gegeneinandergekehrten U-Schenkeln zu einem Ringkern nach Fig. 3 zusammenfügen, welcher als geschlossener Magnetkreis mit den vorbereiteten, gleichzeitig eingefügten Wicklungen 6, 8 verkettet ist.
Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, dass die gesamten Schenkel-Stirnflächen innerhalb der Spulen 8, 9 und symmetrisch bezüglich der Spulenlänge liegen; dies ist zwar nicht Bedingung, aber insofern günstig, als eine restliche, an den Stossstellen der Kernteile auftretende magnetische Streuung sich weniger nachteilig auswirkt.
Die Versetzung der Stossstellen je zweier Streifenenden in Längsrichtung der U-Schenkel zwischen benachbarten Blechschichten, das heisst die über- lappung a benachbarter Streifenenden (Fig. 1, 2) lässt sich innerhalb gewisser Grenzen, praktisch etwa zwischen dem 1,5 bis 6fachen der Blechdicke d, frei wählen. Die Herstellung der Kernteile A und B erfolgt im vorliegenden Fall so, dass Blechstreifen von passender Länge abgeschnitten, einzeln U-förmig und mit gleichem Biegeradius, abgebogen und hierauf ineinandergeschichtet werden.
Die Längendifferenz
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Al (gestreckte Länge) zwischen einem bestimmten Streifen und dem nächstfolgenden äusseren Streifen beträgt beim Kernteil A 4d-2a und beim Kernteil B 4d+2a. Die Distanz zwischen den Biegestellen vergrössert sich jeweils um 2d.
Während bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 die Schenkel-Stirnflächen symmetrisch zu der Mittelachse des U-förmigen Kernteils abgestuft sind, das heisst an beiden Schenkeln eines Teils entweder von innen nach aussen A oder von aussen nach innen B, kann man auch gemäss Fig.4 solche Kernteile C bilden, bei denen die Stirnflächen an beiden Schenkeln parallel liegen, also am einen Schenkel von innen nach aussen und am andern Schenkel von aussen nach innen treppenartig abgestuft sind.
Dies hat den Vorteil, dass zur Bildung geschlossener Ringkerne nur eine Sorte von Kernteilen erforderlich ist, die paarweise gegeneinander gefügt werden, wie in Fig. 4 angedeutet.
Bezeichnet man wiederum die Blechdicke mit d und die überlappung mit a, so vergrössert sich die Schenkellänge, z. B. beim Schenkel rechts in Fig. 4, von jedem Einzelblech zum nächstfolgenden, äusseren Blech um d+a; der Abstand zwischen den Biegestellen nimmt jeweils um 2d und die Gesamtlänge der Blechstreifen um 4d zu, unabhängig von a.
Zur Herstellung von U-förmigen Kernteilen mit nach Art der beschriebenen Teile A, B oder C treppenartig abgestuften Schenkel-Stimflächen kann man auch in anderer Weise vorgehen, wie anhand der Fig. 5 bis 9 erläutert werden soll. Anstatt die Blechstreifen einzeln U-förmig abzubiegen und hernach ineinander zu schichten, kann man zuerst die flachen Blechstreifen von passend abgestufter Länge zu einem Stapel schichten und anschliessend den ganzen Stapel in einem Arbeitsgang in die U-Form biegen. Die Fig. 5 und 6 zeigen Stapel D' bzw. E aus ebenen Blechstreifen, aus denen durch den Biegeprozess, z. B. in einer in Fig. 5 angedeuteten Biegevorrichtung 20, 22, U-förmige Kernteile D und E geformt werden.
Diese in Fig. 7 dargestellten Teile entsprechen bezüglich ihrer Schenkedl-Stimflächen den Teilen A bzw. B und ergeben paarweise zusammengefügt wiederum einen geschlossenen Ringkern.
Um eine bestimmte überlappung a am abgebogenen Kernteil zu erhalten, müssen die Streifenlängen um jeweils 2 - AD bzw. 2 - AE abgestuft sein, welche Längendifferenzen im Stapel zu gleichen Teilen AD bzw. AE auf beide Seiten verteilt sind. Wie leicht einzusehen ist, ergibt sich beim Abbiegen um 90 infolge des zunehmenden Radius von Streifen zu Streifen eine Verschiebung der Streifenenden um jeweils den Betrag d - a/2. Somit muss beim Stapel D' die Differenz AD = a - d - n/2 und beim Stapel E' die Differenz JE =a+d-n/2=AD+d-@c gewählt werden.
Auch bei diesem Herstellungsver- fahren lässt sich die Überlappung a entsprechend den jeweiligen Erfordernissen wählen. Ein Sonderfall liegt vor, wenn a = d - ,n12 gewählt wird, indem dann der Stapel D' aus lauter gleich langen Blechstreifen besteht (AD = 0); AE ist dann gleich d - a.
Nach dem gleichen Verfahren können auch Kernteile F nach Fig.9 hergestellt werden, die in der Abstufung ihrer Schenkel-Stirnflächen den Kernteilen C entsprechen. In diesem Fall ist von einem unsymmetrischen Stapel F' nach Fig. 8 auszugehen, bei dem die Verschiebung der Streifenenden auf der einen Seite AFl = a-d - n/2 und auf der andern Seite AF2 = a + d - -z/2 = AFI + d - n beträgt. Der Unterschied in der Gesamtlänge von Streifen zu Streifen ist dann AF2 - AFl = d - n, also von a unabhängig.
Bei relativ grosser überlappung und vielen Blechschichten kann es sich erweisen, dass die fortschreitende treppenartige Abstufung der Blechenden sich nicht über die Schenkellänge der Kernteile unterbringen lässt. Es wird dann mit Vorteil eine Anordnung nach Fig. 10 oder 11 gewählt, indem nicht die Gesamtheit der Bleche eines Schenkels fortschreitend abgestuft sind, sondern die Abstufung nur über eine Teilgruppe von benachbarten Blechen fortschreitet und bei einer nächsten Teilgruppe wieder neu beginnt, so dass sägezahnartig abgestufte Schen- kel-Stirnflächen .entstehen. Dabei können nach Wahl Kernteile mit symmetrisch abgestuften Schenkel- Stirnflächen A, B bzw.
D, E oder Paare von identischen Teilen mit parallel abgestuften SchenkelStirnflächen C bzw. F zusammengefügt werden, und es sind auch beide beschriebenen Herstellungsverfahren anwendbar. Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines Ringkernes, in welchem drei nach Art der Kernteile D abgestufte und hergestellte Kernteile DI, D2, D3 ineinandergefügt sind und mit entsprechenden Kern- teilen El, E2, E3 ergänzt sind. Bei Fig. 11 handelt es sich um Paare von Teilgruppen Cl, C2, C3, die aus einzeln abgebogenen Blechstreifen geschichtet sind und einzeln einem Kernteil C (Fig. 4) entsprechen.
Schliesslich können nach dem gleichen Grundgedanken auch kompliziertere Kerne aus Paaren von U-förmigen Kernteilen aufgebaut werden, wofür die Fig. 12 ein Beispiel gibt. Auch kann der Schenkelquerschnitt der Kernteile in bekannter Weise durch Variieren der Streifenbreite der Kreisform angenähert werden.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch Kernteile mit ungleicher überlappung an beiden U-Schenkeln oder mit paarweise unterschiedlichen Schenkellängen denkbar sind.
Die beschriebenen Magnetkerne erfüllen nun in idealer Weise die eingangs angegebenen Forderungen sowohl hinsichtlich einfacher Herstellung als auch guter Betriebseigenschaften. Kernteile und Spulen können unabhängig voneinander als selbständige Bauelemente vorfabriziert werden, und der Aufwand bei der Fertigmontage z. B, eines Transformators
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ist minimal: Es brauchen nur noch die fertigen Spulen und Kernteile übereinandergesteckt und in an sich bekannter Weise gegeneinander fixiert zu werden.
Auch ein allfälliger nachträglicher Ausbau der Wicklungen zwecks Änderung oder Ersatz lässt sich leicht bewerkstelligen. Wesentlich ist vor allem, dass das Zusammenfügen der treppen- oder sägezahnartig abgestuften Schenkel-Stimflächen keinerlei Schwierigkeiten bereitet, der Luftspalt aber dennoch dank der Längsversetzung der Stossstellen je zweier Blechenden sich nicht nachteilig auswirken kann.
Die Herstellung der beschliebenen ;Kernteile zerfällt in eine Reihe einfacher Einzeloperationen, wie Ablängen, Schichten, Biegen, die sich mittels relativ einfacher Vorrichtung leicht mechanisieren lassen. Im Falle der Herstellung nach Fig. 5, 6 und 8 (Biegen der geschichteten Stapel als Ganzes) wird sich in der Regel ein Ausglühen der Kernteile nach dem Abbiegen als notwendig erweisen, damit die Bleche ihre Form behalten und nicht auseinanderfächern.
Ein solcher Glühprozess ist aber bei Verwendung von Blechsorten mit magnetischer Vorzugsrichtung (kaltgewalzte, sogenannte Textur- oder kornorientierte Bleche) ohnehin erforderlich, um die guten magnetischen Eigenschaften wieder herzustellen, die infolge der mechanischen Verformung beeinträchtigt wurden. Nachdem die Kernteile ihre endgültige Form erhalten haben, werden sie vorzugsweise zu einer kompakten Einheit verbunden, beispielsweise durch Eintauchen in eine wärmehärtende Kunstharzmasse, welche nach dem Aushärten die Blechschichten untereinander verbinden.
Dabei ist natürlich darauf zu achten, dass die Schen- kel-Stimflächen blank bleiben, z. B. durch Beschränkung der Eintauchtiefe.