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Zu einem Rahmen geschlossener Magnetkern und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen zu einem Rahmen geschlossenen Magnetkern, bestehend
aus einer Mehrzahl von konzentrisch zur Rahmenachse übereinander angeordneten Lamellen,
die alle an mindestens einer Rahmenseite überlappte Enden aufweisen. Ein solcher
Rahmenkern soll gemäß der Erfindung so aufgebaut werden, daß einander folgende Paare
dieser Enden fortschreitend in Richtung der Rahmenseite derart zueinander versetzt
sind, daß jedes Ende jedes überlappten Paares mit einem Ende des angrenzenden überlappten
Paares in einer gemeinsamen Lamellenlage angeordnet ist.
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Bisher waren bei Magnetkernen mit Lamellenüberlappungen - etwa nach
USA.-Patent 2 489 625 oder 2 614158 - diese Überlappungen in der Regel radial übereinander
angeordnet. Dies hatte zur Folge, daß bei Herstellung eines solchen Kernes an den
Überlappungsstellen eine verhältnismäßig lockere Schichtung entstand, was für solche
Magnetkerne verhältnismäßig mehr Kernstreifenmetall und bei mit Öl oder anderer
Isolierflüssigkeit gefüllten Transformatorgehäusen größere Behälter und größere
Flüssigkeitsmengen erforderte.
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Ein anderer Vorschlag (deutsches Patent 1015 548) ging dahin, nur
jede zweite Lamelle zu überlappen, wobei die überlappungen ebenfalls in einer radialen
Reihe übereinanderliegen, und zwischen diese überlappten Lamellen zum Ausfüllen
der Zwischenräume nicht überlappte Lamellen mit sich nicht berührenden kürzeren
Lamellenenden einzuschalten. Die Raumausnutzung ist dadurch zwar verbessert, aber
der Magnetfluß in den nicht überlappten Lamellen schließt sich nur durch Vermittlung
der Nachbarlamellen und muß daher zwei Fugen statt einer durchsetzen. Bei dieser
Ausführung hat also das die Überlappungen enthaltende Kernjoch einen höheren magnetischen
Widerstand.
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Es ist andererseits bekannt, die Stoßstellen der Kernlamellen treppenförmig
gegeneinander zu versetzen, jedoch wurde bei solchen bekannten Ausführungen entweder
nicht auf die Raumausnutzung oder auf die überlappung zusammengehöriger Lamellenenden
Bedacht genommen.
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Bei dem Kernaufbau nach der Erfindung sind die Vorteile der überlappung
in jeder Kernlamelle mit vollkommener Raumausnutzung vereinigt. Ein derartiger Magnetkern
erfordert bei gleicher Induktion im Kernquerschnitt kleineren Erregerstrom und hat
wesentlich geringere Eisenverluste; die die überlappungen enthaltende Rahmenseite
wird nicht dicker als die anderen Rahmenseiten, so daß das Kernjoch und die Spulenschenkel
gleiche Dicke erhalten können. Diese. Vorteile sind auch dann gegeben, wenn die
Kernlamellen etwa zur Erleichterung des Spuleneinbaues aus je zwei Stücken, die
sich mit ihren Enden gegenseitig überlappen, zusammengesetzt werden. Jede Kernlamelle
enthält dann zwar in sich zwei Überlappungsstellen; die überlappungen benachbarter
Lamellenwindungen sind aber durch die gegenseitige seitliche Versetzung nach der
Erfindung ebenfalls in raumsparender Weise und mit großflächigem Kraftflußübergang
angeordnet. Daher bleiben gegenüber vergleichbaren bekannten Kernkonstruktionen
mit unterteilten Lamellen alle Vorteile der Erfindung erhalten.
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Eiri weiterer Vorteil des Magne@kerns nach der Erfindung ist die gleichmäßige
Verteilung des Kraftflusses auf die einzelnen Kernlamellen, so daß örtliche Kraftflußzusammendrängungen
und daraus folgende zusätzliche Erhöhungen des magnetischen Widerstandes vermieden
werden.
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Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung durch mehrere Ausführungsbeispiele
dargestellt. Hierin zeigt Fig. 1 im Profil den Magnetkern mit zwei Überlappungsstellen
in jeder - hier aus zwei Stücken bestehenden - Lamellenwindung, Fig. 2 eine bevorzugte
Art der Staffelung einer Anzahl von Kernstreifen erforderlicher Länge vor dem Formen
zu dem in Fig. 1 dargestellten Kern, Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht
des Kernes nach Fig. 1 mit in einer schrägen Flucht fortschreitenden überlappungen,
Fig.
4 eine bevorzugte Ausführungsform des Magnetkernes mit je einer überlappung in jeder
Lamellenwindung, Fig.5 das eine Ende des Kernes einer weiteren Ausführungsform,
wobei zwei Fluchten von versetzten Überlappungen in verschiedener Richtung fortschreiten,
Fig. 6 eine für Mehrphasentransformatoren geeignete weitere Ausbildung des Kernes
nach der Erfindung.
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Nach den Fig. 1 bis 3 ist der aus konzentrisch ineinanderliegenden
Lamellen aufgebaute Magnetkern 10 in üblicher Weise rechteckig geformt, mit einem
linken Schenkel 11 und einem rechten Schenkel 12. Einer oder beide Schenkel
11 und 12 können von einer oder mehreren mit 13 bzw. 14 bezeichneten Spulen umgeben
sein. Der obere Jochschenkel 15 und der untere Jochschenkel 16 verbinden
die Spulenschenkel 11 und 12 miteinander und schließen den magnetischen Kreis des
Kernes. Die innerste Lamellenwindung 17 hat den kürzesten Umfang um die zur Kernebene
senkrechte Achse 18 des von dieser Windung umgrenzten Fensters 1g. In Fig. 1 und
2 der Zeichnung sind die Lamellen schematisch durch einfache Linien dargestellt;
die Zahl der Windungen muß den jeweiligen besonderen Anforderungen entsprechen.
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Die Windung 17 kann aus einem oder mehreren Stücken, beispielsweise
aus zwei gleich langen Stükken aus kaltgewalztem Kernstreifenmetall bestehen, die
in Fig. 1 mit 17L und 17R bezeichnet sind. Bei dem dargestellten Kern befindet sich
das obere Ende 17Ru und das untere Ende 17Rb des Streifenstückes 17R oberhalb der
entsprechenden Enden 17Lu bzw. 17Lb des Streifens 17L. Die überlappungen zwischen
den Enden 17Ru und 17Lu sowie zwischen den Enden 17Rb und 17Lb befinden sich in
der Windung 17 des Kernes 10 und weisen einen verhältnismäßig niedrigen magnetischen
Widerstand auf, so daß die Windung 17 im wesentlichen einen unabhängigen und für
sich wirksamen magnetischen Kraftflußpfad bildet. Die überlappungen in den folgenden
Lamellenwindungen sind fortschreitend versetzt, wobei nach Fig. 1 zwei Lamellengruppen
gebildet wurden. Die innerste Flucht oder Reihe von Trennstellen bzw. Überlappungen
in der innersten Lamellengruppe des Kernes 10, zwischen den Lamellen 17 und 21 einschließlich,
beginnt vorzugsweise nahe einer Ecke eines Jochschenkels, so daß die fortschreitende
Versetzung der aufeinanderfolgenden überlappungen gegen die andere Ecke desselben
Jochschenkels hin möglich ist, wie Fig.1 zeigt.
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In einer zweiten Lamellengruppe, zwischen den Lamellen 22 und 23,
wiederholt eine zweite Reihe von Trennstellen 24 im oberen Jochschenkel 15 und eine
zweite Reihe von Trennstellen 25 im unteren Jochschenkel 16 das Fluchtmuster,
das sich in gleicher Richtung über die entsprechenden Jochschenkel erstreckt. Auf
diese Weise kann eine Mehrzahl von nufeinanderfolgenden äußeren Fluchtreihen durch
treppenförmige Versetzung der überlappungen in jeder Lamellengruppe hergestellt
werden, wobei beide Enden jeder Flucht nahe den Eckbiegungen der entsprechenden
Kernwindungen und die überlappungsstellen der verschiedenen Lamellengruppen, nicht
aber die derselben Gruppe, radial übereinander liegen. Im allgemeinen werden die
überlappungen nach der Erfindung auf einen mittleren Teil des Jochschenkels beschränkt
sein, in welchem sie ein Drittel der ganzen Jochlänge beiderseits der Jochmitte
einnehmen.
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Wie Fig. 3 deutlicher zeigt, besteht auch die der Windung 17 benachbarte
Windung 26 aus einem linksseitigen Stück 26L und einem rechtsseitigen Stück 26R,
die zwischen den Enden 26Lu und 26Ru eine obere überlappung bilden. In ähnlicher
Weise bilden im Jochschenkel 16 (Fig. 1) die Enden 26Lb und 26Rb eine untere überlappung,
so daß in der Windung 26 zwei überlappungsstellen mit den elektrischen und mechanischen
Vorteilen derartiger überlappungen vorhanden sind.
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Wie Fig. 1 und 3 zeigen, ist die überlappung zwischen den Enden 26Lu
und 26Ru in bezug auf die von den Enden 17Lu und 17Ru gebildete überlappung nach
links versetzt. Die Enden 17Ru und 26Lu befinden sich in derselben Windungslage
im Jochschenkel 15 und grenzen aneinander. Daher bilden die Enden 17 Lu,
17 Ru, 26 Lu und 26 Ru der zwei Windungen 17 und 26 in radialer Richtung
nur drei anstatt vier parallele Lagen im Jochschenkel 15. Die Jochschenkel 15 -
und bei der Ausführungsart nach Fig. 1 auch 16 - sind also bedeutend gedrängter
geschieht als die bekannten Konstruktionen, wodurch auch eine Ersparnis an Lamellenmaterial
erzielt wird.
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Da die zwei Streifenstücke jeder Windung, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
einander gleich vorgeformt sind, verlaufen die aufeinanderfolgenden überlappungen
der Windungsgruppe zwischen den Windungen 17 und 21 im Joch 16, das bei praktischer
Ausführung weit mehr als die acht dargestellten Lamellen umfassen wird, treppenförmig
nach rechts abwärts. Bei den oberen und unteren überlappungen 24 bzw. 25 in der
radial nach außen nächstfolgenden Windungsgruppe zwischen den Windungen 22 und 23
wiederholt sich diese überlappungsweise. An die Gruppe 22-23 angrenzend, können
in radialer Richtung nach außen noch weitere Gruppen mit entsprechenden Fluchten
anschließen. Die Schenkel des Kernes 10 können rechteckigen oder kreuzförmigen Querschnitt
oder irgendeine andere Form entsprechend der jeweils gewählten Weite der Windungen
aufweisen.
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Das Ineinandergreifen benachbarter überlappungen in allen Fluchten,
wie für die Windungen 17 und 26 dargestellt, bewirkt die erwähnte - für zwei Windungen
bereits angegebene - Ersparnis dadurch, daß in drei Windungen mit drei in einem
Jochschenkel in der angegebenen Weise versetzten Überlappungen die Zahl der Lagen
im Überlappungsbereich vier statt sechs beträgt; im Fall von vier benachbarten und
fortschreitend versetzten überlappungen nehmen die acht überlappungslagen tatsächlich
nur den Raum von fünf Lagen ein, wie aus Fig. 1 hervorgeht, usf. Außerdem ist bei
der erfindungsgemäßen Kernausführung jede Neigung des Kraftflusses zu unregelmäßigem
Verlauf oder ungeregelter Verteilung offenbar verhindert, weil jedes Windungsende
derart von einem oder mehreren angrenzenden Enden einer oder mehrerer benachbarter
Windungen umschlossen ist, daß wirksame übergangswege zusätzlich zum Kraftflußweg
durch die Überlappungsfuge bestehen.
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Bei der Herstellung eines Kernes nach der Erfindung, z. B. eines solchen
nach Fig. 1, wird von einer Anzahl ungleich langer, streifenförmiger Kernlamellen
ausgegangen, wie in Fig. 2 gezeigt, wobei zwei
solcher nach bekannten
Verfahren hergestellter Streifenbündel für die Fig. 1 dargestellten Lamellen benötigt
werden. Jedes Streifenpaar einer nächstfolgenden äußeren Windung ist entsprechend
der zunehmenden Umfangslänge länger. Diese Streifen können in der Reihenfolge ihrer
abnehmenden Längen, also beginnend mit dem Paar der längsten äußersten Windung in
einer Schablone vereinigt werden, wobei die aufeinanderfolgenden überlappungsteile
der Windungen in jeder Fluchtreihe in der beschriebenen Weise zu versetzen sind.
Sie werden hierbei in etwa rechteckige Rahmenform gebracht und in dieser Gestalt
mit überlappten Enden geglüht, sodann nach elastischem Aufbiegen der überlappungsstellen
gemeinsam oder gruppenweise so durch die öffnung der zugehörigen Wicklungsspulen
gesteckt, daß sie anschließend in ihre treppenförmig überlappte Ausgangsform zurückfedern.
Sofern der Kern nach Fig. 1 aus zwei Teilen bestehende Windungen aufweist, ist außerdem
darauf zu achten, daß die relativen Lagen jedes solchen Teiles jeder Windung beim
Aufstapeln, Einspannen, Binden und Glühen des Kernes sicher eingehalten werden.
Nach dem Glühen weist der Kern dauernd die aus Fig. 1 ersichtliche Schichtenlage
auf. Hiernach können die Einspann- und Bindestreifen entfernt werden und entweder
auf die Schenkel 11 oder 12 oder auf beide Schenkelspulen aufgebracht werden. Hierbei
ist infolge der erfindungsgemäßen Anordnung und fortschreitenden Versetzung der
aufeinanderfolgenden überlappungen in den äußeren Kernwindungen die Arbeit des Einschiebens
gegenüber bekannten überlappungskonstruktionen bedeutend vereinfacht.
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Dies gilt insbesondere für den Kern nach Fig.4 der Zeichnung mit nur
einer überlappung in jeder Windung bzw. Lamelle. Diese bevorzugte Ausführungsform
zeigt gegenüber Fig. 1 den Unterschied, daß jede Windung nur aus einem Streifen
besteht und alle überlappungen sich im oberen Jochschenkel befinden. Die in Ausführung
und Wirkungsweise mit den Teilen nach Fig. 1 übereinstimmenden Teile des Kernes
nach Fig.4 sind mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines unterscheidenden
Indexstriches versehen. Auch die Herstellung des Kernes nach Fig. 4 kann der des
Kernes nach Fig. 1 ähnlich sein.
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Der Aufbau des Kernes nach Fig. 4 aus einzelnen Windungen wird so
durchgeführt, daß keine überlappungsstelle oder Flucht in eine Eckbiegung eines
Jochschenkels oder in einen Spulenschenkel fällt. Nach dem Zusammenbau wird das
Einspannen, Binden und Glühen, wie angegeben, durchgeführt.
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Bei dem Kern nach Fig. 5 sind die Fluchten der überlappungsstellen
im Zickzack oder gegenläufig angeordnet. Auch diese Anordnung wird vorzugsweise
bei nur einem Jochschenkel des Kernes angewendet, kann jedoch auch, falls erwünscht,
im oberen und im unteren Jochschenkel zugleich vorgesehen werden. Die innerste Windungsgruppe
ist beim Kern nach Fig. 5 dem entsprechenden Teil nach Fig. 4 oder 1 ähnlich. Es
sind daher in Fig. 5 die gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem doppelten Indexstrich,
verwendet. Die nach außen nächstfolgende überlappungsflucht zwischen den Windungen
22" und 23" des Jochschenkels 15" verläuft dagegen in umgekehrter Richtung, wodurch
die erwähnte zickzackartige Anordnung mit den wesentlichen Merkmalen und Vorteilen
der bereits beschriebenen Ausführungsformen entsteht. So liegt bei der äußeren Windungsgruppe
im Jochschenkel 15" das Ende 22Lcc" über dem Ende 22Rü', so daß die Flucht 24" unmittelbar
über der durch die Enden 21 Lü '
und 21Ru' gebildeten überlappung beginnt.
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Das Ende 22Lac" der Lamelle 22" bestimmt die Richtung der anschließenden
überlappungsflucht, die im Falle der Flucht 24" nach rechts aufwärts verläuft. Bei
weiteren äußeren Lamellengruppen über der Gruppe 22" bis 23" kann sich das Fluchtmuster
in der gleichen Art wie bei den beiden inneren Gruppen fortsetzen und wiederholen.
Haben die Lamellen des Kernes nach Fig. 5 auch überlappungen im unteren nicht dargestellten
Jochschenkel, so verlaufen deren Fluchten vorzugsweise in umgekehrter Richtung wie
im Jochschenkel 15", also die innerste untere Flucht nach rechts abwärts
und die nächstäußere Flucht nach links abwärts.
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Die Magnetkerne gemäß der Erfindung nach den Fig. 1, 4 und 5 können
sowohl bei Einphasentransformatoren od. dgl. wie auch bei Mehrphasentransformatoren
verwendet werden. Ein Beispiel für eine mehrphasige Ausführung zeigt Fig. 6. Hiernach
besteht ein dreischenkliger Transformatorkern aus zusammengesetzten Schenkeln
A, B und C, von denen jeder mit einer oder mehreren Spulen D, E und F verkettet
sein kann. Die inneren Kerne 100 und 101 können entsprechend Fig. 4, wie dargestellt,
oder auf eine der anderen Arten ausgeführt und nebeneinander angeordnet sein. Die
Spulenschenkel A und C können durch Anordnung eines die inneren Kerne umgebenden
Kernes 102 gebildet sein, der, abgesehen von den Abmessungen, gemäß Fig. 4 oder
gemäß den Fig. 1 oder 5 ausgeführt sein kann. Bei einem Mehrphasenkern nach Fig.6
kommen durch die erfindungsgemäße Ausführungsform der überlappungsfluchten die besseren
elektrischen und magnetischen Eigenschaften von derartig lamellierten Kernen aus
magnetisch hochbeanspruchten Blechstreifen besonders zur Geltung.