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Schichtkern für Transformatoren, Drosselspulen u. dgl. Gegenstand
der Erfindung ist ein besonderer ferromagnetischer Kern für Transformatoren, Drosseln
oder ähnliche induktive Schaltelemente. Er ist ausgebildet als Schichtkern mit zwei
Schenkeln von der Breite c und zwei Jochen, die die Schenkel miteinander verbinden.
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Erfindungsgemäß sind die gegebenenfalls an den äußeren Ecken abgeschrägten
oder abgerundeten Joche gegenüber den Schenkeln in Breite und Materialquerschnitt
wesentlich verstärkt; außerdem sind Stoßfugen bzw. Luftspalte im Schenkelquerschnitt
zwischen den Schenkelpnden und -mitten vorgesehen, und schließlich verlaufen diese
Stoßfugen bzw. Luftspalte zur Schenkelachse senkrecht oder angenähert senkrecht
über die volle Schenkelbreite mit geradem oder schrägem Schnitt.
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Es sind bereits Kerne bekannt, die im Bereich zwischen den Schenkelenden
und -mitten zur Schenkelachse senkrecht und über die volle Schenkelbreite gerade
verlaufende Stoßfugen bzw. Luftspalte, allerdings ohne Verstärkung der Breite und
des Materialquerschnittes der Joche, aufweisen. Es sind ferner Kerne bekannt, die
zwar eine Verstärkung der Breite und des Materialquerschnittes der Joche aufweisen,
aber das Merkmal der Anordnung von Stoßfugen bzw. Luftspalten zwischen den Schenkelenden
und -mitten nicht aufweisen. Es sind schließlich auch Kerne bekannt, die neben einer
Verstärkung der Breite und des Materialquerschnittes der Joche Luftspalte zwischen
den Schenkelenden und -mitten aufweisen, deren Luftspalte aber derart im Schenkel
abgewinkelt verlaufen, daß sie sich über die Schenkelmitten hinwegziehen.
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Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Kern eine Kombination der
drei an sich bekannten Merkmale auf, von denen bei den bekannten Kernkonstruktionen
wenigstens eines fehlt. Das Merkmal I besteht in einer Verstärkung der Breite und
des Materialquerschnittes der beiden Joche im Vergleich zu der Breite c und zu dem
Materialquerschnitt der beiden Schenkel. Zweckmäßig sind hierbei die äußeren Ecken
der Joche abgeschrägt oder abgerundet. Das Merkmal 11 besteht in einer Anordnung
von Stoßfugen bzw. Luftspalten im Schenkelquerschnitt im Bereich zwischen den Schenkelenden
und -mitten, wobei diese hinreichend weit von den Schenkelenden und -mitten abgerückt
sind. Das Merkmal III besteht darin, daß diese Stoßfugen bzw. Luftspalte zur Schenkelachse
senkrecht oder nahezu senkrecht und über die volle Schenkelbreite mit geradem oder
schrägem Schnitt verlaufen.
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Wird die Verstärkung der Joche und die Abrückung der Stoßfugen bzw.
Luftspalte von den Schenkelmitten bei senkrechtem und geradem Schnittverlauf in
der bei der Erfindung vorgeschriebenen Weise eingerichtet, so wirken diese drei
Merkmale in der Weise zusammen, daß ein so ausgebildeter Kern eine ringähnlich geringe
magnetische Streuung aufweist. Dieser neuartige Effekt liegt in der besonderen Gestaltung
der nach außen wirksamen magnetischen Spannung auf der Oberfläche des Kernes begründet,
wodurch eine Vielzahl von magnetischen Polen 3, 4, 5 mit bestimmter räumlicher Anordnung
und Polstärke entsteht, so daß die Gesamtwirkung aller Pole - wenigstens im Prinzip
- nach außen verschwindet (Fig.5).
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Da die Joche außerhalb der erregenden Stromwindungen liegen, führt
der magnetische Spannungsabfall des Kernkraftflusses an den magnetischen Jochwiderständen
unmittelbar zur Bildung der an den Jochpolen 3 nach außen wirksamen magnetischen
Spannung K (x). Ein Verschwinden der Gesamtwirkung aller Pole nach außen
kann jedoch nicht eintreten, wenn die magnetische Spannung K (x) der Jochpole
3 stark verzerrt ist und starke Oberwellen enthält. Ohne eine entsprechende Verstärkung
der Breite und des Materialquerschnittes der Joche treten aber solche Verzerrungen
auf, da die Materialpermeabilität mit gegen die Sättigung hin steigender Induktion
immer rascher abfällt. Es ist deshalb eine entsprechende Verstärkung der Joche erforderlich,
durch welche - besonders bei den hohen Schenkelinduktionen -die Jochinduktionen
noch so niedrig bleiben, daß die Joche noch mit hinreichend ausgeglichenerPermeabilität
arbeiten, wodurch Verzerrungen klein gehalten werden. Die vergrößerte Permeabilität
bei den in. dieser Weise gesenkten Jochinduktionen und die geometrischc Verbreiterung
des Kraftflußweges im Joch
lassen dabei überhaupt nur ,geringe magnetische
Spannungen an den Jochpolen 3 auftreten. Es ist dazu eine etwa 1,3- bis 1,8fache,
vorzugsweise 1,5fache, Verstärkung der Jochbreite j und des jochmaterialquerschnittes
gegenüber der Schenkelbreite c und des Schenkelmaterialquerschnittes erforderlich.
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Innerhalb der von den Wicklungen umschlossenen Teile des Kernschenkels
- d. h. innerhalb der Wicklungslänge - setzt sich die nach außen wirksame magnetische
Spannung K (x) zusammen aus der magnetischen Erregerspannung der Amperewindungen
und aus den magnetischen Spannungsabfällen des Kernkraftflusses an den magnetischen
Schenkelwiderständen und Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderständen. Wenn die Stoßfugen
bzw. Luftspalte zur Schenkelachse - d. h. zum Kernkraftfluß - senkrecht und Tiber
die volle Schenkelbreite mit geradem Schnitt verlaufen, so konzentrieren sich die
magnetischen Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderstände auf sehr kurze Stücke der Schenkel.
Auf diesen sehr kurzen Stücken entsteht somit der gesamte magnetische Spannungsabfall
des Kernkraftflusses an den magnetischen Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderständen als
ein jäher magnetischer Spannungssprung der nach außen wirksamen magnetischen Spannung
K (x).
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Liegen nun die Stoßfugen bzw. Luftspalte an passenden Stellen zwischen
den Schenkelenden und -mitten, so führt ein solcherart senkrechter und gerader Verlauf
der Stoßfugen zur Entstehung weiterer Pole 4 und-5 zwischen den Schenken 'en und
-mitten, wobei der Pol 4 unmittelbar an den Pol 5 heranrückt, von welchem er nur
durch den auf einer sehr kurzen Strecke erfolgenden Spannungssprung getrennt ist.
Innerhalb der gleichen Schenkel- lind anschließenden Jochhälfte betrachtet hat dabei
der Schenkelpol s gleiches Vorzeichen wie der Jochpol 3, während der zwischen
Pol s und Pol 3 liegende Schenkelpol o umgekehrtes Vorzeichen aufweist, so daß somit
- je nach den betrachteten Hälften und Phasen - ein Nordpol 4 zwischen zwei Südpolen
3 und 5 bzw. ein Südpol 4 zwischen zwei Nordpolen 3 und 5 liegt. Je weiter hierbei
die Stoßfugen bzw. Luftspalte von den Kernschenkelenden gegen die Schenkelmitten
zu verschoben werden, um so stärker wird Pol 4 und um so schwächer Pol 5, derart,
daß bei Verschiebung des Luftspaltes an die Schenkelenden der Pol o bzw. an die
Schenkelmitten der Pol 5 überhaupt verschwindet. Es gibt daher einen gewissen Abstand
m der Luftspalte bzw. Stoßfugen von den Schenkelmitten, bei denen die einander entgegenwirkenden
Pole 4 und 5 einander das Gleichgewicht halten bzw. bei denen der Pol o etwa den
Pol 5 überwiegt. Bei unmittelbarem Nebeneinanderliegen der Pole 4 und 5 infolge
eines senkrechten und geraden Verlaufes der Stoßfugen bzw. Luftspalte schwächen
sich Pol 4 und 5 mit äußert geringer Reichweite der dazwischen übergehenden Felder
nach außen hin gegenseitig ab, so daß sie auf größere Entfernung hin wie ein einziger
Schenkelpol wirken, der nur mit einer Überschußwirkung des Pols 4 über Pol 5 (bzw.
umgekehrt) in Erscheinung tritt. Die an sich sehr starken Pole 4 und 5 wirken somit
zusammen nur als ein einziger schwacher Pol, dessen Vorzeichen und Stärke durch
den Abstand m der Stoßfugen bzw. Luftspalte von den Schenkelmitten im geforderten
Ausmaß eingestellt werden können. Insbesondere kann dieser Abstand m derart passend
eingerichtet werden, daß durch geringes Überwiegen des Pols 4 über 5 nach außen
eine der Wirkung des Jochpols 3 entgegengesetzt: Wirkung erzielt wird, so daß die
Gesamt-Wirkung - auch in größerer Entfernung - verschwindet. Um dies möglichst angenähert
zu erreichen, sind Abstände na der Stoßfugen bzw. Luftspalte von den Kernschenkelinitten
von etwa ein Viertel bis ein Achtel der gesamten Kernschenkellänge - entsprechend
etwa der 0,30- bis 0,15fachen Wicklungslänge - erforderlich. Vorzugsweise ist dieser
Abstand m gleich der 0,15fachen gesamten Kernschenkellänge.
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Große magnetische Stoßfugen- bz«-. Luftspaltwiderstände erhöhen entsprechend
den magnetischen Spannungssprung und die Stärke der Pole 4 und 5, lassen aber das
Verhältnis der Stärke des Pols 4 zum Pol 5 weitgehend unverändert. Da bei richtigem
Abstand m die Wirkungen der Pole 4 und 5 nahezu entgegengesetzt gleich sind, so
daß sie sich praktisch aufheben, tritt somit der erfindungsgemäße Effekt auch bei
sehr großen magnetischen Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderständen auf, die sich im
wesentlichen nur in entsprechend großen Erregerströmen auswirken. Allerdings muß
bei hohen Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderständen der richtige Abstand m besonders
genau eingehalten werden. Dagegen wirkt eine zu starke Verkleinerung der magnetischen
Stoßfugenwiderstände dem erfindunggemäßen Effekt entgegen, indem die Pole 4 zu schwach
«-erden, so daß die magnetische Streuung bei sehr kleinen Stoßfugenwiderständen
zunimmt, wenngleich die Erregerströme abnehmen. Dieser Umstand zeigt die anomale
Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Prinzips besonders deutlich, indem bei den bekannten
Kernen in gerade umgekehrter Weise mit der Zunahme der Stoßfugen- bzw. Luftspaltwiderstände
und den damit zunehmenden Erregerströmen - d. h. den am Kern wirksamen magnetischen
Erregerspannungen -auch die magnetische Streuung zunimmt.
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Aus den genannten Gründen ergibt sich zusammenfassend die Notwendigkeit
der Kombination aller drei Merkmale: Eine passende Verstärkung der Breite j und
des Materialquerschnittes der Joche (Merkmal I) ist erforderlich, um Verzerrungen
und Stärke der magnetischen Jochspannungen der Pole 3 hinreichend herabzumindern.
Ein passender Abstand m der Stoßfugen bzw. Luftspalte von den Kernschenkelmitten
(Merkmal II) ist erforderlich, um die Wirkung des Pols 4 durch den entgegenwirkenden
Pol 5 hinreichend weitgehend auszugleichen. Stoßfugen bzw. Luftspalte, die möglichst
senkrecht zur Schenkelachse und möglichst geradlinig über die volle Schenkelbreite
verlaufen (Merkmal III), sind notwendig, da sonst die starken Pole 4 und 5 nicht
unmittelbar aneinanderrücken und somit die dazwischen übergehenden Felder größere
Reichweiten erlangen. Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich jedoch nicht verwirklichen
bei Stoßfugen und Luftspalten, die im Schenkel abgewinkelt verlaufen und sich über
die Schenkelmitten hinziehen, da sich dann ähnliche Effekte wie bei Stoßfugen und
Luftspalten in den Schenkelmittenlagen ergeben, wo die für den Effekt erforderlichen
Pole 5 überhaupt verschwinden.
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Die Verwirklichung des genannten Prinzips erfolgt mit den erfindungsgemäßen
Maßnahmen praktisch sehr weitgehend. Der die extreme Streuarmut bewirkende Effekt
tritt bei erfindungsgemäßen Kernen sogar noch weitgehend bei Betriebsverhältnissen
im Bereich der Schenkelsättigung in Erscheinung und ist nahezu unabhängig von der
Art des verwendeten Kernblechinaterials. Dieser Effekt tritt auch bei einfach kornorientierten
Blechen auf, wenn die magnetische Vorzugsrichtung in die Schenkelachse fällt.
Der
vorbeschriebene besondere Effekt läßt sich an einem Streifen S aus ferromagnetischem
Material, der in gleichmäßigem Abstand über den Schenkeln liegt, besonders wirkungsvoll
darstellen (Fig. 5) : Die vom Kern K bewirkten Streufelder treten in diesem Streifen
S nebeneinander derart abwechselnd aus und ein, daß - wenigstens im Prinzip - die
magnetische Streifenspannung S (z) extrem klein bleibt und sogar außer in der Streifenmitte
0 auch an den Streifenenden 2 und oft auch noch in dazwischenliegenden Streifenteilen
1 nahezu verschwindet. Die magnetischen Streufelder des erfindungsgemäßen Kernes
haben somit die Fähigkeit verloren, durch einen derartigen Streifen S noch nach
außen zu greifen, auch dann nicht, wenn das Streifenmaterial noch eine geringe Permeabilität
besitzt. Da die Luft ebenfalls eine wenn auch geringe Permeabilität aufweist, ist
der erfindungsgemäße Kern auch bereits ohne jede Schirmung so extrem streuarm, daß
sogar in schwierigen Fällen auf eine Abschirmung verzichtet werden kann bzw. in
besonders schwierigen Fällen als Schirm schon einfache Dynamobleche an Stelle von
teuren, hochpermeablen Materialien ausreichen. Für die magnetische Einstreuung gilt
Entsprechendes.
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Erfindungsgemäße Schichtkerne können durch lagenweise aufeinander
geschichtete, neuartige Kernblechschnitte erhalten werden. Jedes derartige Kernblech
besitzt einen Jochteil und zwei Schenkelteile (Fig. 1). Die Breite j des Jochteiles
dieser Kernbleche entspricht etwa dem 1,3- bis 1,8fachen, vorzugsweise 1,5fachen,
Betrag der Schenkelbreite c. Die Längen L und k der Schenkelteile sind um
den Abstand m der Stoßfugen bzw. Luftspalte von der Kernschenkelmitte, d.
h. entsprechend um ein Viertel bis ein Achtel der gesamten Kernschenkellänge, vorzugsweise
dem O,15fachen Wert der gesamten Kernschenkellänge, vergrößert bzw. verkleinert.
Die Schenkelteile sind an ihren Enden senkrecht oder angenähert senkrecht zur Schenkelachse
gerade oder schräg abgeschnitten. Gegebenenfalls sind die äußeren Ecken der Jochteile
abgeschrägt oder abgerundet.
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Derartige Kernbleche sind als U-förmige Schnitte zu erhalten. Vorteilhaft
ist es, wenn solche Kernbleche an Stelle von gleich langen Schenkeln L bzw. k verschiedene
Schenkellängen erhalten, wobei der eine Schenkelteil die größere Länge l und der
andere Schenkelteil die verkürzte Länge k erhält. Der erfindungsgemäße Schichtkern
kann dann bereits aus lauter gleichen Kernblechen, die überdies sehr abfallarm fertigbar
sind, aufgebaut werden. Wechselseitig geschichtet ergeben derartige U-förmige Kernbleche
immer einen Schichtkern mit je zwei verzapften Stoßfugen in jedem Schenkel (Fig.
2).
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Der vorbeschriebene Schichtkern ist noch verhesserbar durch die zusätzliche
Verwendung von weiteren anders geschnittenen Kernblechen. Diese anderen Kernbleche
sind gemäß Fig. 3 in L-Form ausgebildet. Sehr gut hat sich eine gerade Verlängerung
bis zu einer Tiefe von 0,8- bis 1,Ofacher Schenkelbreite c in das Kernjoch und eine
Abwinkelung unter einem Winkel von etwa 45° bewährt. Zur Einschichtung in den Kern
gleichen die durch diese anderen Kernbleche gebildeten Blechlagen in Umriß und Fenster
den durch die vorgenannten U-förmigen Bleche gebildeten Blechlagen.
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Neben den vorgenannten L-förmigen Kernblechschnitten ist für solche
zusätzliche Blechlagen auch ein Schnittpaar geeignet, das sich aus einem gleichschenkligen
U-Stück mit zwei verlängerten zugespitzten Kernblechschenkeln und aus einem in diese
Kern-Blechschenkel sich einpassenden Jochzwischenstück zusammensetzt, das erst parallel
und dann abgewinkelt auseinanderlaufende Seitenkanten aufweist.
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Werden Blechlagen aus solchen anderen Kernblechen in Kernen mit den
vorerwähnten U-förmigen Kernblechen mitverwendet, wobei mit Rücksicht auf die magnetische
Streuung in den äußeren Lagen des Kernblechstapels zweckmäßig die U-förmigen Kernblech
angeordnet sind (Fig. 4), so zeichnet sich ein so aufgebauter Kern durch sehr geringe
Erregerströme aus. Allerdings wird dieser Vorteil schon, mit einer merklichen Erhöhung
der magnetischen Streuung erkauft, die vor allem auf die starke Verkleinerung der
magnetischen Schenkelstoßfugenwiderstände im Hinblick auf zwischengeschichtete,
ohne Stoßfugen durchlaufende Kernbleche zurückzuführen ist. Der sich dabei einstellende
Jochstoßfugeneinfluß ist jedoch durch die Abwinkelung und Verlängerung der Stoßfugen
im verstärkten Joch sehr klein gehalten. Auch diese erfindungsgemäße Kernbauform
(Fig.4) weist somit eine immer noch vergleichsweise sehr geringe magnetische Streuung
auf.
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Sollte bei ganz besonders hohen Anforderungen noch eine Abschirmung
erforderlich sein, so ist es zweckmäßig, daß die dazu verwendeten Schirmbleche alle
Pole des Kernes in gleichmäßiger Entfernung überdecken, damit sich deren Wirkung
gegenseitig möglichst weitgehend aufheben kann. Zweckmäßig sind zwei haubenartig
gebogene Blechteile (Fig. 6) zu benutzen. Mit ihren Grundflächen Hg parallel zu
den Kernblechen über der Wicklung liegend, überdecken sie zusammen mit ihren Seitenteilen
Hb alle Pole. Mit zusätzlichen Stirnseitenaufschlägen H, - die auch entfallen können
- schirmen sie die ohnehin schwachen stirnseitigen Streufelder ab.