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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Wie beispielsweise in der Druckschrift ”Leistungstransformatoren 10 bis 100 MVA – der Garant für höchste Qualität und Zuverlässigkeit” der Siemens AG beschrieben ist, werden Transformatorkerne üblicherweise mit Transformatorblechen gebildet. Konstruktionsbedingt lässt sich in der Regel nicht erreichen, dass die Blechkanten der Transformatorbleche tatsächlich auf Stoß liegen, vielmehr bleiben die Blechkanten meist durch einen kleinen Luftspalt voneinander getrennt. Dieser Luftspalt erhöht den magnetischen Widerstand der Transformatorbleche und damit den magnetischen Widerstand des resultierenden Transformatorkerns.
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Um den Einfluss der Luftspalte zu reduzieren, wird – wie sich der oben genannten Druckschrift ebenfalls entnehmen lässt – bekanntermaßen die so genannte Step-Lap-Schichtung der Transformatorbleche eingesetzt. Bei der Step-Lap-Schichtung werden die Transformatorbleche derart zueinander angeordnet, dass die Luftspalte zwischen den Blechkanten nicht unmittelbar übereinander liegen, sondern versetzt zueinander sind. Durch den Versatz der Luftspalte kann der magnetische Fluss in den Transformatorblechen auf ein unmittelbar benachbartes Transformatorblech, also beispielsweise ein darüber oder darunter befindliches Transformatorblech, ausweichen, wenn er auf einen Luftspalt trifft und so ein unmittelbares Passieren des Luftspaltes vermeiden. Der resultierende magnetische Widerstand wird dadurch, im Vergleich zu übereinander liegenden Luftspalten, reduziert. Verschiedene Ausführungsformen der genannten Step-Lap-Schichtung sind der
US 3,328,737 A , dem Abstract der
JP 10270263A und dem Abstract der
JP 05094918A zu entnehmen.
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Außerdem ist es aus der
GB 1,164,286 A bekannt, dass Transformatorenbleche auch stumpf aufeinandergelegt und dann miteinander verschweißt werden können. Hierdurch entsteht sozusagen eine endlose Transformatorenwicklung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Transformatorkernes anzugeben, mit dem sich noch bessere Eigenschaften des resultierenden Transformatorkernes und damit noch bessere Eigenschaften des jeweiligen Transformators erreichen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei der Kernfertigung aneinander angrenzende Blechkanten der Transformatorbleche mittels Kaltgasspritzen mit einem magnetisierbaren Material miteinander verbunden werden.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass der magnetische Fluss innerhalb eines jeden Transformatorblechs verbleiben kann, ohne auf ein benachbartes Transformatorblech wechseln zu müssen, weil zwischen aneinander angrenzenden Blechkanten kein Luftspalt mehr vorhanden ist; denn erfindungsgemäß werden die aneinander angrenzenden Blechkanten mittels Kaltgasspritzen mit einem magnetisierbaren Material verbunden und so der noch vorhandene Luftspalt gefüllt. Da der magnetische Fluss in seinem jeweiligen Transformatorblech verbleiben kann und demgemäß keine senkrecht zum Transformatorblech stehende Flusskomponente (Normalkomponente) auftritt, werden planare elektrische Wirbelströme in den Transformatorblechen vermieden und die elektrischen Verluste insgesamt reduziert. Auch werden die Kerngeräusche während des Betriebes des Transformators reduziert, da Magnetkräfte zwischen den Transformatorblechen aufgrund des Wegfalls der Normalkomponente reduziert sind. Auch werden Ummagnetisierungsverluste und Magnetostriktion aufgrund eines erhöhten magnetischen Flusses vermieden, wie er bei vorbekannten Transformatorkernen im Bereich der Luftspalte durch Flussumlenkung in benachbarte Transformatorbleche auftreten kann; dies ermöglicht es, die Transformatoren höher zu belasten oder bei vorgegebener Nenninduktion kompakter auszuführen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht in dem erfindungsgemäßen Einsatz eines Kaltgasspritzverfahrens. Das Kaltgasspritzverfahren ermöglicht es in sehr einfacher und kostengünstiger Weise, den Spaltbereich zwischen den Blechkanten zu füllen. Darüber hinaus kann mit dem Kaltgasspritzverfahren Verbindungsmaterial mit besonders guten magnetischen Eigenschaften hergestellt werden, die sich mit anderen Verfahren, beispielsweise Schweißen, Kleben, Löten oder dergleichen nicht ansatzweise erreichen lassen. So können die Luftspalte beispielsweise mit Verbindungsmaterial geschlossen werden, das bei einem magnetischen Fluss über einem Tesla relative Permeabilitätszahlen im Bereich zwischen 103 und 106 erreicht. Beispielsweise kann Verbindungsmaterial auf der Basis von Kristallen, Nanoteilchen oder nanokristallinen Stoffen gebildet werden. Auch lassen sich beim Kaltgasspritzen thermische Belastungen der Transformatorbleche, beispielsweise in Form von mechanischen Spannungen durch thermische Materialausdehnung, vermeiden oder zumindest gering halten.
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Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich als Transformatorkerne beispielsweise Stapelkerne, Schnittbandkerne oder Wickelkerne für Stapelkerntransformatoren, Schnittbandkerntransformatoren bzw. Wickelkerntransformatoren bilden.
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Wird als Transformatorkern ein Stapelkern gebildet, indem Transformatorbleche aufeinander gestapelt werden, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die aneinander angrenzenden Blechkanten der gestapelten Transformatorbleche mittels Kaltgasspritzen mit einem magnetisierbaren Material miteinander verbunden werden.
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Wird als Transformatorkern ein Wickelkern gebildet, indem zumindest ein Transformatorblech umgebogen wird, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn nach dem Umbiegen des zumindest einen Transformatorbleches aneinander angrenzende Blechkanten des jeweiligen Transformatorbleches mittels Kaltgasspritzen mit einem magnetisierbaren Material miteinander verbunden werden.
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Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, so dass die kinetische Energie der Partikel ausreicht, damit diese auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Mit einer Kaltgasspritzanlage der beschriebenen Art lässt sich in besonders einfacher Weise magnetisierbares Material auftragen, um die Blechkanten zu verbinden.
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Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich das Verfahren durchführen, wenn beim Kaltgasspritzen ein Pulverstrahl mit Pulver aus weichmagnetischem Material auf die Schnittstelle zwischen den aneinander angrenzenden Blechkanten gerichtet wird und das Pulver beim Auftreffen auf den Blechkanten eine die Blechkanten verbindende weichmagnetische Materialnaht bildet. Bevorzugt wird ein Pulverstrahl mit eisenhaltigem Pulver auf die aneinander angrenzenden Blechkanten gerichtet und es wird eine eisenhaltige Materialnaht bzw. Verbindungsnaht gebildet.
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Besonders gute Verbindungen lassen sich erreichen, wenn ein Pulverstrahl mit Pulverteilchen aus nanokristallinem Material, vorzugsweise mit einer Kristallkorngröße < 100 nm, oder aus amorphem Material auf die Schnittstelle gerichtet wird. Bevorzugt haben die Pulverteilchen eine Partikelgröße zwischen 10 μm und 40 μm und eine Korngröße kleiner als 15 nm.
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Nach dem Verbinden der zwei Blechkanten eines der Transformatorbleche und vor dem Verbinden der zwei Blechkanten des nächsten darüber liegenden Transformatorblechs wird zwischen den beiden Transformatorblechen vorzugsweise eine elektrisch isolierende Einlage eingefügt. Eine solche Einlage kann beispielsweise verhindern, dass der Kaltgasspritzstrahl beim Verbinden der zwei Blechkanten des darüber liegenden Transformatorblechs auf das darunter liegende Transformatorblech treffen und/oder die elektrische Isolation zwischen den Transformatorblechen zerstören kann.
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Mit Blick auf die magnetischen Eigenschaften der Verbindung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein Pulverstrahl mit eisen- und siliziumhaltigem Pulver auf die Schnittstelle gerichtet wird. Vorzugsweise ist der Siliziumgehalt kleiner als 10%.
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Auch können zum Verbinden der Blechkanten phosphorhaltiges Eisen oder eine oder mehrere phosphorhaltige Eisenlegierungen, beispielsweise in Form amorpher Legierungen, eingesetzt werden, beispielsweise amorphes Fe-P-Material mit einem Phosphoranteil zwischen 5% und 15%, vorzugsweise mit einem Phosphoranteil von ca. 10%.
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Zum Herstellen einer Verbindungsnaht zwischen den Blechkanten kann beispielsweise ein Pulverstrahl mit Pulver aus Dynamoblechmaterial verwendet werden; beispielsweise wird ein Pulvermaterial verwendet, das mit dem Blechmaterial der zu verbindenden Transformatorbleche identisch ist.
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Besonders gut zu verarbeiten sind jedoch Fe-Si-B-Nb-Cu-haltige, Fe-B-Cu-haltige und (Fe,Co)-B-Cu-haltige Legierungen, so dass es als besonders vorteilhaft angesehen wird, wenn ein Pulverstrahl mit nanokristallinem Pulver, das eine oder mehrere der genannten Legierungen zumindest auch aufweist, auf die Schnittstelle gerichtet wird. Diese Materialien reduzieren besonders effizient die Magnetostriktion.
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Die Transformatorbleche bilden nach dem Verbinden der aneinander angrenzenden Blechkanten im Querschnitt vorzugsweise eine in sich geschlossene Kontur, beispielsweise eine ringförmige Kontur. Die in sich geschlossene Kontur kann beispielsweise im Querschnitt oval, kreisförmig, rund, quadratisch, rechteckig oder mehreckig sein. Falls im Querschnitt Ecken vorhanden sind, sind diese vorzugsweise abgerundet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft
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1–10 anhand von Schnittbildern ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines Transformatorkernes,
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11 anhand eines anderen Querschnitts ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Transformatorkerns und
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12 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem Transformatorbleche eines Stapelkerns mittels Kaltgasspritzen miteinander verbunden werden.
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Der Übersicht halber werden in den Figuren für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In der 1 erkennt man einen Blechstapel 10, der durch eine Vielzahl an Transformatorblechen gebildet ist, von denen in der 1 beispielhaft vier dargestellt und mit den Bezugszeichen 20, 30, 40 und 50 gekennzeichnet sind. Die Transformatorbleche bestehen beispielsweise aus einer Silizium-Eisen-Legierung mit weichmagnetischen Eigenschaften, also beispielsweise aus sogenanntem Dynamoblechmaterial.
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Die Dicke der Transformatorbleche liegt beispielsweise im Bereich zwischen 200 und 600 μm. Um eine elektrische Isolation zwischen den Transformatorblechen zu erreichen, sind diese vorzugsweise mit dünnen elektrischen Isolationsschichten versehen, die beispielsweise eine Dicke im Bereich zwischen 1 und 5 μm aufweisen können. Die elektrischen Isolationsschichten sind aus Gründen der Übersicht in der 1 nicht weiter dargestellt.
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In der 2 erkennt man den Blechstapel 10, nachdem die Transformatorbleche 20, 30, 40 und 50 jeweils zweimal umgebogen worden sind. Die Biegestellen sind in der 2 mit den Bezugszeichen 60 und 70 gekennzeichnet.
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Außerdem erkennt man in der 2 zwei Spulen 80 und 90, die auf den Blechstapel 10 aufgeschoben worden sind. Das Aufschieben der Spulen 80 und 90 auf den Blechstapel 10 kann vor oder nach dem Umbiegen des Blechstapels erfolgen.
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Die 3 zeigt den Blechstapel 10, nachdem das oberste Transformatorblech 20 gemäß 1 zwei weitere Male umgebogen worden ist. Die Biegestellen sind mit den Bezugszeichen 100 und 110 gekennzeichnet.
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In der 3 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass zwischen den aneinander angrenzenden bzw. einander gegenüberliegenden Blechkanten 21 und 22 des Transformatorblechs 20 ein Luftspalt 23 verblieben ist. Der Luftspalt 23 entsteht aufgrund von Herstellungstoleranzen beim Umbiegen der Transformatorbleche und lässt sich technisch bedingt niemals ganz vermeiden.
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In der 4 ist der Blechstapel 10 gezeigt, nachdem der Luftspalt 23 zwischen den Blechkanten 21 und 22 mittels eines Kaltgasspritzverfahrens geschlossen worden ist. Mit dem Kaltgasspritzen wird zwischen den Blechkanten 21 und 22 eine Materialnaht bzw. Verbindungsnaht 24 gebildet, die die – im Querschnitt gesehen – vorher offene Kontur des Transformatorbleches 20 schließt und eine geschlossene Kontur 25 erzeugt.
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Durch das Verbinden der beiden Blechkanten 21 und 22 ist es somit möglich, dass ein magnetischer Fluss entlang der geschlossenen Kontur 25 durch das Transformatorblech 20 fließt, ohne dabei einen Luftspalt überwinden zu müssen. Die Verbindungsnaht 24 reduziert somit den magnetischen Widerstand des Transformatorbleches 20 für einen magnetischen Fluss, der entlang der geschlossenen Kontur 25 durch das Transformatorblech 20 fließt.
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Nachdem die Verbindungsnaht 24 mittels Kaltgasspritzen zwischen den Blechkanten 21 und 22 gebildet worden ist, wird das Transformatorblech 30 ebenfalls entlang der Biegestellen 100 und 110 umgebogen, so dass sich die in der 5 dargestellte Struktur – im Querschnitt gesehen – ergibt. Auch hier lässt sich erkennen, dass nach dem Umbiegen zwischen den aneinander angrenzenden bzw. einander gegenüberliegenden Blechkanten 31 und 32 des Transformatorbleches 30 ein Luftspalt verbleibt, der in der 5 mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet ist. Im Querschnitt gesehen bildet das Transformatorblech 30 nach dem Umbiegen also eine offene Kontur, die in der 5 mit dem Bezugszeichen 34 gekennzeichnet ist.
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Um die offene Kontur 34 zu schließen, werden die beiden Blechkanten 31 und 32 mittels Kaltgasspritzen eines magnetisierbaren Materials unter Bildung einer Verbindungsnaht 35 miteinander verbunden; dies zeigt beispielhaft die 6. Die nun im Querschnitt gesehen geschlossene Kontur des Transformatorbleches 30 ist in der 6 mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet.
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In der 7 ist gezeigt, wie das dritte Transformatorblech 40 umgebogen worden ist. Auch hier ist zwischen den aneinander grenzenden Blechkanten 41 und 42 zunächst ein Luftspalt vorhanden, der mit dem Bezugszeichen 43 gekennzeichnet ist. Der Luftspalt 43 wird auch hier mittels Kaltgasspritzen eines magnetisierbaren Materials geschlossen. Die dabei gebildete Verbindungsnaht ist in der 8 mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet.
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In entsprechender Weise wird auch das vierte Transformatorblech 50 umgebogen und der zwischen den Blechkanten 51 und 52 verbleibende Luftspalt 53 mittels einer Verbindungsnaht 54 geschlossen. Dies ist beispielhaft in den 9 und 10 dargestellt. Die 10 zeigt dabei auch den mittels Kaltgasspritzen fertiggestellten Transformatorkern, der mit dem Bezugszeichen 200 gekennzeichnet ist. Man erkennt, dass die Verbindungsnähte 24, 35, 44 und 54 vorzugsweise nicht unmittelbar übereinander liegen, sondern vorzugsweise zueinander seitlich versetzt sind.
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Anhand der 11 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Transformatorkerns gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird im Bereich der zwischen den Blechkanten der Transformatorbleche 20, 30, 40 und 50 nach dem Umbiegen verbleibenden Luftspalte 23, 33, 43 und 53 zunächst jeweils eine elektrisch isolierende Einlage 300 angeordnet; die Einlage 300 kann vor, während oder auch nach dem Umbiegen der Bleche im Bereich der späteren bzw. bereits vorhandenen Luftspalte positioniert werden. Nachfolgend wird der jeweilige Luftspalt mit einem magnetisierbaren Material im Rahmen eines Kaltgasspritzvorganges geschlossen. Durch das Einbringen der elektrisch isolierenden Einlage 300 wird vermieden, dass beim Kaltgasspritzen des magnetisierbaren Materials, d. h. also beim Herstellen der Verbindungsnähte 24, 35, 44 und 54, das jeweils darunter befindliche Transformatorblech beschädigt wird. Wie bereits erwähnt, sind die Transformatorbleche 20 bis 50 vorzugsweise mit einer dünnen elektrischen Isolationsschicht versehen, um eine elektrische Isolierung zwischen den Transformatorblechen zu erreichen. Eben diese elektrische Isolationsschicht könnte während des Kaltgasspritzens in Mitleidenschaft gezogen werden, was jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 durch das vor dem jeweiligen Kaltgasspritzschritt vorgesehene Einbringen der elektrisch isolierenden Einlage 300 verhindert wird.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 liegen die Verbindungsnähte 24, 35, 44 und 54 vorzugsweise nicht unmittelbar übereinander, sondern sind vorzugsweise zueinander seitlich versetzt. Ein solcher Versatz ist jedoch nicht zwingend nötig.
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In der 12 ist ein Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Stapelkernes für einen Stapelkerntransformator gezeigt. Der Stapelkern wird durch ein Aufeinanderstapeln nicht gebogener bzw. ungebogener Transformatorbleche gebildet, von denen in der 12 aus Gründen der Übersicht nur zwei gezeigt und mit den Bezugszeichen 350 und 360 gekennzeichnet sind. Es lässt sich erkennen, dass die aneinander angrenzenden Blechkanten der gestapelten Transformatorbleche 350 und 360 schräg in einem Winkel von 45° verlaufen, so dass zwischen den Kanten ein Luftspalt 370 verbleibt, der ebenfalls mit einem Winkel von 45° in der 12 schräg nach oben verläuft. Die Luftspalte 370 sind jeweils mit einem magnetisierbaren Material 380 im Rahmen eines Kaltgasspritzvorganges geschlossen, wie dies oben im Zusammenhang mit den 1 bis 11 bereits beispielhaft erläutert worden ist. Um eine Beschädigung der Transformatorbleche bzw. der darauf befindlichen Isolation zu vermeiden, können zusätzlich Einlagen eingesetzt werden, wie sie beispielhaft in der 11 gezeigt sind.
