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Magnetkern für Netztransformatoren oder -drosselspulen Die Forderung,
in einer Transformatoreinheit immer größere Leistungen unterzubringen und dabei
doch die vor allem durch das Bahnprofil gezogenen Grenzen nicht zu überschreiten,
führte dazu, bei Einphasentransformatoren vom Zweischenkelkem auf den Vierschenkelkern
und bei Drehstromtransformatoren vom Dreischenkelkern auf den Fünfschenkelkern überzugehen
und dabei gegebenenfalls auch die Rückschlußschenkel zu bewickeln. Im letzteren
Fall war es von Nachteil, daß bei den bisher bekanntgewordenen Vier- und Fünfschenkelkernen
von Netztransformatoren die Rückschlußschenkel rechteckigen Querschnitt bekamen
und die auf ihnen aufgebrachten Wicklungen nicht die billig herstellbare und kurzschlußfeste
Kreisform besaßen. Es wurden wohl schon mehrere Lösungen vorgeschlagen, um auch
bei Transformatoren mit bewickelten Rückschlußschenkeln annähernd kreisrunde und
gegenüber den Hauptschenkeln kleinere Rückschlußschenkelquerschnitte zu ermöglichen,
doch handelt es sich dabei um Magnetkerne für Lokomotivtransformatoren, bei denen
wohl auch die damit erzielbare gedrungene Bauart willkommen ist, bei denen jedoch
die Eisenverluste nicht dasselbe Gewicht besitzen wie bei Netztransformatoren und
man daher auch Kernformen verwenden kann, die wegen der damit zu erwartenden hohen
Eisenverluste bei Netztransformatoren nicht tragbar wären. So ist z. B. ein Magnetkern
für Lokomotivtransformatoren bekannt, bei denen Regulier-und Haupttransformator
auf einem gemeinsamen, dreischenkligen Eisengestell untergebracht sind und der dritte,
unbewickelte Schenkel als magnetischer Rückschluß für die Differenz der Kraftflüsse
in den beiden bewickelten Schenkeln dient. Indem im mittleren Schenkel eine um 20
bis 501)/o höhere Induktion zugelassen wird als im bewickelten Rückschlußschenkel,
läßt sich erreichen, daß die Schichthöhe des Hauptschenkels annähernd gleich wird
der Schichthöhe des bewickelten Rückschlußschenkels und damit letzterer gleichfalls
angenähert runden und damit gut bewickeibaren Querschnitt erhält.
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Ein allenfalls noch verbleibender Unterschied wird durch Aufsetzen
von zusätzlichen Blechpaketstücken zu beiden Seiten der vom Regelschenkel zum Mittelschenkel
führenden Joche ausgeglichen. Bei anderen Ausführungsformen für Magnetkerne für
Lokomotivtransformatoren erhält man durch Reduzierung der Blechlagen in den Rückschiußjochen
und -schenkeln der Kreisform angenäherte Rückschlu.ßschenkelquerschnitte. Die Reduktion
der Stapelhöhe in den Rückschlußjochen und -schenkeln ergibt sich dadurch, daß etwa
nur jede zweite Lamelle der Hauptschenkel ihre magnetische Fortsetzung zu den Rückschlußwegen
hin findet. Beim Zusammenpressen der Rückschlußschenkel entstehen in den Rückschlußjochen
keilförmige Zwischenräume, die mit Füllstücken aus Transformatorenblech und härtenden
Kunstharzen ausgefüllt werden. In den genannten Fällen wird die reduzierte und runde
Querschnittsfläche eines Rückschlußschenkels nur über eine Verschlechterung des
Wirkungsgrades erkauft, da die örtlich sehr verschiedene Liniendichte zufolge der
Jochabstufung zu Querflüssen Anlaß gibt, die es bekanntlich vor allem bei kaltgewalzten
Blechen zu vermeiden gilt. Auch ist die zur Jochreduktion in bisher bekannter Weise
erforderliche Verformung der Blechlamellen (insbesondere wieder bei Verwendung kaltgewalzter
Bleche) Ursache für erhöhte Eisenverluste. Solche erhöhten Ver-
luste sind
in Anbetracht der sonstigen damit erzielbaren Vorteile dir Transformatoren auf Triebfahrzeugen
wohl in Kauf zu nehmen. Diese Art der Blechschichtung jedoch auf Netztransformatoren
zu übertragen, wäre verfehlt, da bei Netztransformatoren den Eisenverlusten ungleich
größere Bedeutung zukommt als bei Transformatoren bei Triebfahrzeugen. Ein Vorschlag
aus jüngster Zeit geht daher dahin, die über den gesamten Magnetkern verlaufende,
durch die Rückschlußschenkel bestimmte Lamellenstapelhöhe
für die
Hauptschenkel durch zusätzliche, symmetrisch zur Mittelebene des Kernes angeordnete
Blechpakete zu ergänzen, wodurch sich sowohl runde Haupt- als auch runde und damit
gut bewickelbare Rückschlußschenkel erreichen lassen.
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Ziel der Erfindung ist es, einen n Hauptschenkel (n >2) und zwei Rückschlußschenkel
besitzenden Magnetkern für Netztransformatoren- und -drosselspulen zu schaffen,
der wie bei den bisher bekannten Kernen mit Rückschlußschenkeln in ihrer Höhe stark
reduzierte Joche und runde und in ihrem Durchmesser kleinere Rückschlußschenkel
besitzt. Darüber hinaus soll er infolge seines erfindungsgemäßen Aufbaues besonders
verlustarm und daher auch für Netztransformatoren größter Leistung geeignet sein
und den magnetischen und technologischen Eigenschaften der in immer stärkerem Ausmaß
verwendeten kaltgewalzten Transformatorenbleche entgegenkommen. Zu diesem Zweck
sind erfindungsgemäß die Rückschlußschenkel hohl ausgebildet, wobei in jeder Schichtungsebene
die resultierende Blechbreite eines Rückschlußschenkels gleich ist der Lamellenbreite
der anschließenden Rückschlußjoche und die Lamellenbreite eines Hauptschenkels gleich
ist der Summe der Lamellenbreite des Hauptjoches und der resultierenden Blechbreite
des zugehörigen Rückschlußschenkels.
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In den Zeichnungen zeigt die Fig. 1 eine teilweise Ansicht eines Vierschenkelkernes,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Schenkel des Kernes, Fig. 3 die Hälfte eines Schnittes
durch einen Hauptschenkel (Schnitt a in Fig. 1), Fig. 4 die Hälfte eines Schnittes
durch das Hauptjoch (Schnitt /? in Fig. 1), Fig. 5 die Hälfte eines Schnittes durch
das Rückschlußjoch (Schnitt y in Fig. 1) und Fig. 6 die Hälfte eines Schnittes durch
einen Rückschlußschenkel (Schnitt b in Fig. 1).
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Für die Zeichnung wurde angenommen, daß es sich um einen aus Spezialblechen
geschichteten Kern handelt und daher der gesamte Magnetkern durch parallel und senkrecht
zur Blechebene verlaufende Kühlspalte weitgehend unterteilt wird, so daß eine an
bekannte Rahmenkonstruktionen erinnernde Kernform entsteht. Doch ist dies nur eine
vorzugsweise, mit dem Erfindungsgedanken nicht unbedingt verbundene Ausführungsform.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der erfindungsgemäße Kern aus
einem (n+2)-Schenkelkern mit durchlaufend gleicher Schichthöhe di=ci=ai=bi, dem
zu beiden Seiten seiner n Hauptschenkel in einer Schichthöhe a2 in an sich bekannter
Weise weitere Blechpakete angefügt sind, die sich über Joche mit einer Schichthöhe
b2 (wobei b2=a2) zu zwei dem (n+2)-Schenkelkern parallel liegenden n-Schenkelkernen
schließen. Zwischen dem (n+2)-Schenkelkern und den zwei n-Schenkelkernen sind Kühlspalte
vorgesehen, desgleichen sind die Haupt- und Rückschlußschenkel durch senkrecht zur
Schichtungsebene verlaufende Kühlkanäle unterteilt. Der Durchmesser der Hauptschenkel
ist mit D bezeichnet, der der Rückschlußschenkel mit d. In Fig. 3 ist ein halber
Schnitt durch einen Hauptschenkel dargestellt. Es sind in dieser Figur die Blechbreiten
der einzelnen Paketstufen des (n+2)-Schenkelkernes mit Ax/2 bebezeichnet, die der
zwei n-Schenkelkerne mit A,/2. Die zweite Querschnittshälfte ist genau spiegelbildlich
zu denken. Ebenso bedeuten in den Fig. 4, 5 und 6 B,/2, C,/2, D,/2 die Blechbreiten
der einzelnen Paketstufen des Hauptjoches, des Rückschlußjoches und, der Rückschlußschenkel,
des (n+2)-Schenkelkernes und B,/2 die Blechbreite eines Teilpaketes des n-Schenkelkernjoches.
Die Durchmesser der Haupt-und Rückschlußschenkel sind wiederum mit D bzw.
d
bezeichnet. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, besitzen auch das Haupt-
und die Rückschlußjoche senkrecht zur Schichtungsebene verlaufende Kühlspalte, so
daß also, wie dies die Fig.1 schon erkennen läßt, eine Art Rahmenkern entsteht.
Macht man in erfindungsgemäßer Weise die Breite aller in Flußrichtung hintereinanderliegenden
Bleche gleich (mit den Bezeichnungen der Fig. 3 bis 6, also Bx/2 = C,/2 =D"/2
=A"14 und Ay/2 = By/2, daher also auch die Stufung der magnetisch hintereinanderliegenden
Teilpakete), so entsteht ein Kern mit einfacher und übersichtlicher Flußführung
auch in den Ecken und mit praktisch gleicher Induktion in jedem Teilpaket der Kerne
und auch der Joche, was insbesondere bei Kernen aus Spezialblechen (kaltgewalzte
Bleche) große Vorteile mit sich bringt. Die maximale Jochhöhe des (n+2)-Schenkelkernes
ist auch beim erfindungsgemäßen Kern nur etwa gleich der Hälfte des Hauptschenkeldurchmessers
(Bz max/2=Cx max/2 = D/4), und bei entsprechender Aufteilung des gesamten Eisenkernes
in einen (n+2)-Schenkelkern und zwei n-Schenkelkerne kann auch Bymaxl2 =Ay.xl2=D/4
erreicht werden. Da auf diese Weise die außenliegenden n-Schenkelkerne etwa die
doppelte Jochblechhöhe besitzen wie ein analoger (n--i-2)-Schenkelkern, brauchen
die außenliegenden Bleche im Joch zur Erzielung einer genügenden Preßauflagefläche
nicht, wie üblich, überhöht zu werden, so daß auch in den Randpaketen des Joches
gleiche Induktion vorhanden ist und damit keine Ursache zu die Verluste insbesondere
bei kaltgewalzten Blechen sehr erhöhenden Querflüssen besteht.
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Natürlich müssen obige Bedingungsgleichungen für die Breite der in
Flußrichtung hintereinanderliegenden Blechlamellen nicht unbedingt streng eingehalten
werden. So wird man etwa insofern etwas davon abweichen können, als man die Stufenzahl
in den Jochen (Haupt- und Rückschlußjochen) und in den Rückschlußschenkeln etwa
um die Hälfte vermindern wird, wie dies auch in den Zeichnungen dargestellt ist.
In diesem Fall nimmt man als Blechhöhe für ein Joch- oder Rückschlußschenkelpaket
den Mittelwert der Blechhöhen der magnetisch dazu in Serie liegenden zwei Hauptschenkelstufen.
Die aus der Erfüllung obiger Bedingungen resultierenden zentralen Aussparungen in
den Rückschlußschenkeln (Hohlschenkel) kommen der Kühlung zugute. Sie stellen, falls
die Rückschlußschenkel zwangserregt sind, zugleich die Bedingungsgleichungen für
vollkommen gleiche Induktion bzw., falls die Rückschlußschenkel nicht zwangserregt
sind, für praktisch (d. h. bis auf den durch den verschiedenen magnetischen Widerstand
bedingten Unterschied in den Induktionen) gleiche Induktion in allen Teilpaketen
dar.
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In der Zeichnung Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Magnetkern als überlappt
geschichteter Kern dargestellt. Joche und Kerne können aber natürlich auch stumpf
gestoßen sein oder unter Verwendung des insbesondere bei kaltgewalzten Blechen bekannten
günstigen Gehrungsstoßes.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kernes liegen darin, daß bei runden
Haupt- und Rückschluß-
Schenkeln und bei einer Jochhöhe von etwa
dem halben Hauptschenkeldurchmesser eine einfache und billige Kernform mit günstiger
magnetischer Flußführung erreicht wird. Jede Art von Querflüssen ist dabei vermieden,
da sämtliche magnetische Kreise in sich geschlossen sind, ohne daß die Kraftlinien
gezwungen wären, wesentlich von der magnetischen Vorzugsrichtung abzuweichen. Die
Induktion ist sowohl in den Haupt- als auch in den Rückschlußschenkeln. gleich,
und zwar auch über die ganze Schichtbreite hin, womit Querflüsse innerhalb der Kerne
und damit verbundene zusätzliche Verluste vermieden sind. Letzteres ist z. B. bei
einem Magnetkern bereits vorgeschlagener Art nicht der Fall, da bei vollen Rückschlußschenkeln
die Induktion in den der Mittelebene benachbarten Schichtungsebenen geringer ist
als in den Randschichten des Kernes und daher Querflüsse nicht zu vermeiden sind.
Es wird also bei dem erfindungsgemäßen Kern nicht nur an aktivem Material gespart,
sondern überdies, worauf schon hingewiesen wurde, die Kühlung des Kernes wesentlich
verbessert. Alle Bleche besitzen (von der Möglichkeit des Gehrungsstoßes abgesehen)
Rechteckform und sind daher durch Schneiden allein (keine mit Materialverlust und
Gratbildung verbundene Stanzarbeit) herzustellen. In jedem Teilpaket der Kerne und
Joche herrscht gleiche Induktion und damit gleiche Erwärmung. Die Flußführung an
den Ecken und Verzweigungspunkten ist magnetisch übersichtlich und verursacht keine
hohen Zusatzverluste. Auf die Vorteile hinsichtlich der Jochpressung ist schon hingewiesen
worden. Schließlich sind alle Bleche parallel geschichtet, so daß nirgends ein.
Abwinkeln oder Abbiegen von Blechen erforderlich ist, was bekanntlich insbesondere
bei kaltgewalzten Blechen erhebliche Verlustzifferverschlechterungen mit sich bringt.