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Aus Blechen aufgebauter Mantelkern für einen Hochspannungstransformator
Die Erfindung betrifft einen ferromagnetischen, aus Blechen aufgebauten Kern für
einen Hochspannungstransformator von verhältnismäßig niedriger Leistung, insbesondere
den Speisetransformator einer Röntgenröhre, mit die Wicklungen tragendem stabförmigem
Mittelschenkel und bandgewickeltem Ringkernmantel, der die Enden :der Mittelschenkel
in diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufnimmt. Derartige Transformatorenkerne
sind bekannt und werden üblicherweise als Manteltransformatorenkerne bezeichnet.
Der Aufbau erfolgt gewöhnlich aus Blechen von langgestreckter rechteckiger Form,
die in geeigneter Weise ineinandergeschachtelt sind, so @daß sich ein magnetischer
Schluß mit vernachläßigbar geringem Einfluß der an den Stoßstellen unvermeidlichen
Luftspalte ergibt.
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Man hat auch bereits Kerne für .den Hochspannungstransformator einer
Röntgenröhre aus Blechen aufgebaut, .die nicht eine gleichmäßige Dicke aufweisen,
sondern nach außen hin stärker werden, so daß sich ein im Grundriß kreisförmiger
Kern infolge der Keilform der Blechlamellen erzielen läßt.
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Bei einem Transformator, der bei verhältnismäßig kleinen Leistungen
hohe Spannungen abgeben muß, ist es besonders schwierig, die Wicklung in ausreichendem
Maße zu isolieren. Deshalb wird für derartige Transformatoren ein verhältnismäßig
großer Fensterquerschnitt benötigt; der Transformator, dessen Kern die mit ihrer
Isolation versehene Wicklung in ausreichendem Abstand umgeben muß, hat einen verhältnismäßig
großen Platzbedarf, der in vielen Fällen unerwünscht ist.
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Ferner ist ein Transformatorenkern bekannt, der aus einem Hohlzylinder
mit einem Mittelschenkel besteht. Dabei sind in der Mitte an gegenüberliegenden
Stellen des bandgewickelten Hohlzylinders kegelförmige Bohrungen zur Aufnahme des
spiralförmig gewickelten Mittelschenkels mit sich kegelförmig verjüngenden Enden
vorgesehen. Das Einsetzen des Mittelschenkels in den Hohlzylinder geschieht durch
Deformieren des Hohlzylinderkörpers derart, daß der Durchmesser an den Stellen mit
den Bohrungen zur Aufnahme des Mittelschenkels vergrößert :wird. Nach dem Einsetzen
des Mittelschenkels nimmt der Hohlzylinder auf Grund seiner elastischen Eigenschaften
wieder seine ursprüngliche Form an.
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Dieses Verfahren läßt sich naturgemäß nur bei Hohlzylinderkernen mit
geringer Wandstärke anwenden. Außerdem kann dabei das Aufbringen der Wicklungen
erst nach dem Einsetzen des Mittelschenkels erfolgen, wodurch diese Arbeit unnötig
erschwert wird. Schließlich ist es bei einer Fertigung kaum zu erreichen, daß die
Bohrung im Hohlzylinder und die Spitze des Mitelschenkels exakt zueinander passen,
so daß mit einer Vergrößerung des magnetischen Widerstandes an den übergangssteilen
gerechnet werden muß, weil sich die magnetischen Kraftlinien dann nicht mehr ausschließlich
über das Eisen schließen können.
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Bei der Erfindung sind diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß
zwei Mittelschenkel übereinander mit rechtwinklig einander kreuzenden Schenkelachsen
angeordnet und in drei aufeinandergesetzten, ringförmigen Mantelteilen gelagert
sind, von denen wenigstens der mittlere Mantelteil jeweils an gegenüberliegenden
Seiten Ausschnitte für die Aufnahme der Mittelschenkel besitzt.
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Die stabförmigen Mittelschenkel können beispielsweise aus Blechen
geschichtet .sein und werden bei der Fertigung des Transformators in die gesondert
hergestellte Wicklung eingeschoben, die mit den nötigen Isolationszwischenlagen
versehen in eine geeignete Isoliermasse, vorzugsweise ein Kunstharz, eingebettet
wird. Bei solchen Hochspannungswicklungen werden bekanntlich die einzelnen Wicklungs-Lagen
aus Isolationsgründen in Achsrichtung gesehen nach außen hin immer kürzer; daher
besitzt die fertige vergossene Wicklung annähernd Kugelgestalt. Nach Einschieben
des stabförmigen Mittelschenkels in die Wicklung werden dessen aus der Wicklung
herausragende Enden in die Ausnehmungen der das Schließjoch bildenden Ringkernmäntel
eingelegt; die Hohlzylinderform der Mäntel ermöglicht eine besonders gute Raumausnutzung,
da sie der Kugelgestalt der Wicklung weitgehend angepaßt ist.
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Bei einem Kern nach der Erfindung können die Mittelschenkel auch einen
kreisförmigen Querschnitt aufweisen, während die Ausschnitte der Ringkernmäntel
halbkreisförmig gestaltet sind. Durch Wahl
eines kreisförmigen Querschnitts
können auch die Wicklungen annähernd kreisförmig gestaltet werden; man erzielt dadurch
neben einem geringen Widerstand eine gute Raumausnutzung der Wicklung.
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Eine Ausführungsmöglichkeit für die Mittelschenkel mit kreisförmigem
Querschnitt besteht darin, daß sie in an sich bekannter Weise aus ebenen Blechstreifen
verschiedener Breite geschichtet sind, die durch ein Bindemittel zusammengehalten
werden. Dabei ist es eine Frage des vertretbar erscheinenden Aufwandes, wie weit
man die Annäherung an die Kreisform des Querschnitts treiben will. Durch den Aufbau
aus parallel geschichteten Blechen ergibt sich allerdings am Übergang zwischen Mittelschenkel
.und Ringkernmantel eine geringfügige Erhöhung des magnetischen- Widerstandes, die
in manchen Fällen unerwünscht sein kann.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit für die Mittelschenkel mit kreisförmigem
Querschnitt ergibt sich in der Anwendung eines radial lamellierten Aufbaues mit
kreisringförmigem Querschnitt. Dabei ist es nicht erforderlich, für den Aufbau dieser
Mittelschenkel Bleche mit keilförmigem Querschnitt zu verwenden; man kann auch Bleche
von gleichmäßiger Dicke verarbeiten, bei denen dann jedes Blech derart in seiner
Längsrichtung gefaltet ist, daß es über etwa seine halbe Breite doppelt liegt.
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Zweckmäßigerweise wird ein Kern gemäß der Erfindung so ausgebildet,
daß bei Anwendung der üblichen Querschnittsformen für den Mittelschenkel die Wandstärke
.der hohlzylindrischen Ringkernmäntel mindestens gleich einem Viertel der größten
Querschnittsabmessung des Mittelschenkels ist; ein unter dem Wert »1cc liegender
Füllfaktor des Mittelschenkel-Eisenquerschnitts ist dabei proportional berücksichtigt.
Auf diese Weise läßt sich gegenüber einem Manteltransformator der üblichen Bauart
eine Verringerung der Kern-Breite erzielen.
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Die Wandstärke der Ringkernmäntel ist so gewählt, daß die Übergangsfläche
zwischen Mittelschenkel und Ringkernmantel gleich oder größer ist als der Eisenquerschnitt
des Mittelschenkels.
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Bezeichnet man das Verhältnis der effektiven Querschnitts$äche des
Mittelschenkels bei kreuz-oder kreisförmiger Querschnittsform zur Fläche des Quadrates
oder Kreises als Eisenfüllfaktor, dann ergibt sich, daß bei kreuzförmigem Querschnitt
des Mittelschenkels die Wandstärke der zylindrischen Ringkernmäntel gleich einem
Viertel der Quadratseite multipliziert mit dem Füllfaktor und beim kreisförmigen
Querschnitt des Mittelschenkels gleich einem Viertel des Außendurchmessers, ebenfalls
multipliziert mit dem Füllfaktor, sein muß.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Transformatorenkern nach der Erfindung mit
zwei sich senkrecht kreuzenden Mittelschenkeln, F i g. 2 einen Schnitt durch einen
Mittelschenkel mit aufgebrachten Wicklungen und F i g. 3 a bis 3 e den Querschnitt
und Aufbau des Mittelschenkels in verschiedenen an sich bekannten Formen.
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Der in F i g. 1 dargestellte ferromagnetische Kern besitzt zwei stabartig
geformte Mittelschenkel 4, 5, die ihrerseits aus Blechen geschichtet sind, deren
Länge mit dem Außendurchmesser der als Schließjoch dienenden Ringkernmäntel6, 7,
8 übereinstimmt. Diese axial miteinander fluchtenden Ringkerne 6, 7, 8 sind bandgewickelt
und besitzen je an einer Stirnseite halbkreisförmige Ausnehmungen, die einander
gegenüberliegen und die Enden der stabförmigen Mittelschenkel 4, 5 aufnehmen. Dabei
weisen die Ringkerne 6 und 8 nur in einer Stirnfläche zwei einander diametral gegenüberliegende
Ausnehmungen auf, während der mittlere Ringkern 7 an beiden Stirnseiten je zwei
derartige, einander diametral gegenüberliegende Ausnebmungen besitzt. Die Ausnehmungen
der einen Stirnseite sind hierbei um 90° gegen die der anderen Stirnseite versetzt
angeordnet, um ein rechtwinkliges Kreuzen der beiden Mittelschenkel zu erreichen.
Auf diese Weise lä.ßt sich ein Transformator aufbauen, dessen Wicklungen durch Verteilung
auf die einander kreuzenden Mittelschenkel magnetisch gut gegeneinander entkoppelt
sind.
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Ein Hochspannungstransformator mit einem erfindungsgemäßen Kern entsprechend
F i g. 1 ist in F i g. 2 im Schnitt dargestellt. Diese Figur läßt erkennen, daß
die Wicklungen sich räumlich sehr günstig auf dem Mittelschenkel anbringen lassen.
Als Träger der Wicklungen dient ein Isolierrohr 9, auf dem die Primärwicklung
10 unmittelbar angebracht ist. Ein weiteres Isolierrohr 11 trennt die Primärwicklung
10 von der auf dem Rohr 11 vorgesehenen Sekundärwicklung 12, die aus Gründen
der Spannungsfestigkeit einen abgestuften Wicklungsquerschnitt besitzt; Isolierzwischenlagen
sind zwischen den einzelnen Lagen der Wicklung vorgesehen, die an beiden Seiten
überstehen und in an sich bekannter Weise nach außen umgebogen sind. Die gesamte
Wicklung ist schließlich in eine Kunstharzmasse 13 eingebettet, die der fertigen
Wicklung im wesentlichen Kugelgestalt gibt und eine gute Raumausnutzung erlaubt.
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Der Aufbau des stabförmigen Kernmittelschenkels kann in verschiedener
an sich bekannter Weise durchgeführt sein. Gemäß F i g. 1 kann der Mittelschenkel
aus flach aufeinandergeschichteten Blechen von verschiedener Breite bestehen; es
können aber auch Mittelschenkel aus radial gerichteten Lamellen eingesetzt werden.
Die verschiedenen Möglichkeiten für den Aufbau eines Mittelschenkels sind in den
F i g. 3 a bis 3 e dargestellt.
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Der Mittelschenkel gemäß F i g. 3 a weist quadratischen Querschnitt
auf und besteht aus gleich breiten Blechen. Dieser Querschnittsform entsprechend
müssen die Ausnehmungen in den zugehörigen Ringkernmänteln, abweichend von dem Ausführungsbeispiel
F i g. 1, quadratisch gewählt werden.
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Nach dem Aufeinanderschichten der Bleche können diese mittels eines
.geeigneten Bindemittels zu einem kompakten Körper vereinigt werden. Verwendet man
ein Bindemittel von ausreichender Festigkeit, dann kann dem Kern gemäß F i g. 3
a auch die Querschnittsform nach F i g. 3 b gegeben werden, indem man den Quadratstab
auf einer Drehbank runddreht. Naturgemäß kann ein Querschnitt gemäß F i g. 3 b auch
durch Aufschichten aus Blechen ver= schiedener Breite erhalten werden.
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In F i g. 3 c ist eine im Transformatorenbau ebenfalls seit langem
übliche Quersehnittsform dargestellt, die eine bessere Raumausnutzung ermöglicht
als der Querschnitt nach F i g. 3 a. Dieser kreuzförmige Querschnitt kann natürlich
auch mehrfach abgestuft sein.
Weitere Einzelheiten einer zweckmäßigen
Ausführungsform eines radial lamellierten Kernmittelschenkels gehen aus den F i
g. 3 d und 3 e hervor. Der Kern ist in an sich bekannter Weise aus einzelnen Blechen
radial geschichtet. Da hierfür Bleche von keilförmigem Querschnitt benötigt werden,
die eine Sonderanfertigung bedingen würden und dementsprechend teuer sind, werden
in .an sich bekannter Weise gemäß F i g. 3 d Bleche von gleichmäßiger Dicke verwendet,
die .in der aus F i g. 3 e ersichtlichen Weise derart längsgefaltet sind, daß sich
außen eine Verdopplung der Wandstärke ergibt. Man erhält so ein Blech mit grob angenäherter
Keilform, das sich mit Vorteil für radial lamellierte Kerne verwenden läßt.