-
Elektrisches Induktionsgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches
Induktionsgerät mit einem einen magnetischen Fluß hervorbringenden und in einem
Gehäuse untergebrachten Induktionskörper und mit einer zwischen dem Körper und der
Gehäusewand angeordneten Wirbelstromabschirmung aus elektrisch leitfähigem nichtmagnetischem
Material.
-
Große elektrische Induktionsgeräte, z. B. Leistungstransformatoren,
Drosselspulen u. dgl., erzeugen von sich aus während des normalen Betriebs mechanische
Schwingungen bei hörbaren Frequenzen, die ein störendes Ausmaß erreichen können.
Zur Herabsetzung des Lärms, der von solchen Geräten erzeugt wird, ist es bekannt,
die Gerätekonstruktion so zu verbessern, daß dadurch die mechanischen Schwingungen
herabgesetzt werden. Außerdem ist es bekannt, zwischen dem Gerät und der umgebenden
Atmosphäre Sperrschichten oder die mechanischen Schwingungen dämpfende Vorrichtungen
einzuschalten. Bei zahlreichen bekannten Ausführungsformen werden ferner die mechanischen
Schwingungen dadurch abgeschwächt, daß das Gerät bei einer ziemlich geringen Flußdichte
betrieben wird, um die magnetostriktiven Effekte in den Materialien des Magnetkerns
zu verringern. Zur Dämpfung der mechanischen Schwingungen ist es weiter bekannt,
das Gerät auf einer elastischen Haltevorrichtung abzustützen und verschiedene Arten
von Sperrschichten, die die mechanischen Schwingungen absorbieren, zwischen den
schwingenden Körpern und dem metallischen Gehäuse einzulegen.
-
Alle diese bekannten Ausführungen sind jedoch in der Regel ziemlich
kostspielig. Besonders bei großen Drosselspulen ohne Kern, die 1 bis 2 m hoch und
einen Durchmesser von derselben Größe aufweisen können, tritt im Betrieb ein störender
Lärm auf. Dieser Lärm geht zu einem großen Teil von den Wirbelstromabschirmungen
aus, die in der Regel in Form eines geraden kreisrunden Zylinders aus starkleitendem
Metall vorliegen, der koaxial zu den Wicklungen der Drosselspule angeordnet ist.
Durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den Wirbelströmen in der Abschirmung
werden sich ändernde mechanische Beanspruchungen an verschiedenen Stellen der Abschirmung
hervorgerufen, die eine starke mechanische .Schwingung zur Folge haben. Auch eine
Abweichung von der runden Form verstärkt bei den bekannten zylindrischen Abschirmungen
diese mechanischen Schwingungen, die beim Betrieb der Drosselspule auftreten.
-
Bei einer Art von Induktionsgeräten, nämlich Zündspulen, bei denen
die Wicklungen auf einem Kern aufgebracht sind, ist es bekannt, an der Außenseite
der Wicklungen Gruppen von Lamellen aus magnetisch leitfähigem Material anzuordnen,
deren Form dem Kraftlinienverlauf angenähert ist. Diese Gruppen von Lamellen, die
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, lassen sich in der bekannten Anordnung
und Ausbildung sowie auf Grund ihres Herstellungsmaterials nicht als Wirbelstromabschirmungen
in Induktionsgeräten, wie Hochleistungs-Drosselspulen u. dgl., einsetzen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstromabschirmung
für Induktionsgeräte zu schaffen, die beim Betrieb des Geräts kaum mechanische Schwingungen
und damit Lärm erzeugt und außerdem eine erhebliche Steifigkeit und gute Wirbelstromführung
besitzt.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abschirmung
in Form eines Metallbleches einen in Umfangsrichtung geschlossenen Körper bildet,
dessen Oberfläche etwa parallel zu den vom Induktionskörper erzeugten Kraftlinien
des magnetischen Feldes verläuft. Dadurch wird das Ausmaß der mechanischen Schwingungen
herabgesetzt, die die Wirbelströme in der Abschirmung hervorrufen können, so daß
kein störender Lärm beim Betrieb des Geräts verursacht wird. Die erfindungsgemäße
Abschirmung weist ferner eine relativ hohe Steifigkeit und gute Flußführung auf.
Der Induktionskörper eines solchen Gerätes kann hierbei aus einer Spule bestehen
oder aus Blech aufgebaut sein.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung
kann die Abschirmung die geometrische Form zweier Kegelstümpfe mit gemeinsamer Grundfläche
aufweisen, wobei die gemeinsame Grundfläche mit der Mitte des Induktionskörpers
fluchtet, oder sie kann die geometrische Gestalt einer an einander gegenüberliegenden
Stellen abgeplatteten und mit Öffnungen versehenen Kugel besitzen.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein biegsamer zylindrischer
Behälter innerhalb des Gehäuses zwischen der Abschirmung und dem Gehäuse zur Aufnahme
der dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen, wobei der biegsame Behälter in einem
bestimmten Abstand von der Gehäusewand angeordnet und mit dem Gehäuse nur an dessen
einem Ende verbunden ist und von diesem gehaltert wird und in dem Raum zwischen
dem biegsamen Behälter und dem Gehäuse kein festes oder flüssiges abstützendes Material
vorhanden ist. Dadurch wird eine zusätzliche Dämpfung der eventuell noch von der
Abschirmung ausgehenden mechanischen Schwingungen erzielt. Durch diese Anordnung
werden ferner die Nachteile bekannter von einer dielektrischen Flüssigkeit isolierten
und gekühlten Geräte vermieden, bei denen sogenannte Gaszellen unter einem erhöhten
Innendruck stehen und teilweise mit einem festen Material gefüllt sind, damit die
relativ dünnen Wandungen, die die dielektrische Flüssigkeit einfassen, nicht zerbrechen.
Das feste Material kann hier nämlich eine Bahn zur übertragung der mechanischen
Schwingungen unmittelbar auf die äußere Umgebung des Gehäuses bilden.
-
Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes seien die Figuren
näher erläutert: F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine kernlose Drosselspule
gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 der Fig.l;
F i g. 3 ist ein vereinfachter, schematischer Querschnitt im vergrößerten Maßstab
und zeigt die Beziehung zwischen den durch eine elektrische Spule hergestellten
Flußlinien und einer Wirbelstromabschirmung gemäß der Erfindung.
-
Gemäß den F i g. 1 und 2 enthält eine kernlose elektrische Drosselspule
10 einen Magnetfluß erzeugende Spulenwicklungen 11, die aus einem aufgewickelten,
isolierten, leitenden Material hergestellt sind. Der Aufbau dieser Spulen und die
Art des Anschlusses an ein anderes Gerät sind an sich bekannt. Auch werden zweckmäßigerweise
Hilfsmittel, z. B. ein Futter und Wärmeaustauscher, mit ihrem Flüssigkeitszirkulationssystem
benutzt.
-
Die Spule 11 ist in einer ziemlich dünnwandigen Hülle 12 aus magnetischem
Metall, z. B. aus Stahl enthalten und besitzt einen Deckel 13, eine Bodenplatte
14 und eine Seitenwand 15, die die Form eines geraden, kreisrunden Zylinders hat.
Die Bodenplatte 14 wird von konstruktionsmäßig starren Trägern 16 gehaltert und
verstärkt. Die -Wicklungen 11 können in gewünschter Weise auf der Bodenplatte 14
gelagert sein. Die Hülle ist teilweise mit einer isolierenden Kühlflüssigkeit 17
gefüllt, in der die Wicklungen 11 eingetaucht sind.
-
Eine Wirbelstromabschirmung 20 aus einem stark leitenden Metall,
z. B. Kupfer oder Aluminium, ist zwischen den Wicklungen 11 und der Hülle 12 eingeschaltet;
zwischen den Wicklungen und der Abschirmung besteht ein solches Verhältnis, daß
eine in Längsrichtung verlaufende Schwerachse 18 der Abschirmung mit der Achse der
Wicklungen zusammenfällt. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 besitzt
die Abschirmung 20 die Form zweier gerader Kreiskegel 23 und 24, deren gemeinsame
Basis auf eine horizontale Mittelebene 25 ausgerichtet ist und deren spitz zulaufende
Enden an einer Stelle 22 abgeschnitten sind, so daß eine Konstruktion mit offenen
Enden entsteht. Ein Mittelabschnitt 21 der Abschirmung ist am weitesten von den
Wicklungen 11 entfernt, während die Enden 22 der Abschirmung den Wicklungen 11 am
nächsten liegen; die Abschnitte der Abschirmung oberhalb und unterhalb des Mittelabschnittes
21 kommen allmählich und symmetrisch der Wicklung dichter, wenn man sich in der
Richtung der Pfeile 19 aus der Mittelebene der Abschirmung entfernt.
-
Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 3 zu sehen, bei der eine
mit offenen Enden versehene Abschirmung 20' die Gestalt einer Kugel aufweist,
deren Deck- und Bodenkappe oder Pole in einem gleichförmigen -Abstand oberhalb und
unterhalb einer horizontalen Mittelebene 25' der Spule 11 abgeschnitten sind, die
mit der Mittelebene der Abschirmung zusammenfällt. Somit ist ein Mittelabschnitt
21' der Abschirmung 20' am weitesten von den Wicklungen 11 entfernt, während Enden
22' den Wicklungen 11 am nächsten kommen; die übrigen Teile der Abschirmung oberhalb
und unterhalb der Mittelebene kommen der Wicklung dichter, wenn man in Richtung
der Pfeile 19' von der Mittelebene aus blickt.
-
Bei allen Ausführungsformen soll die Wirbelstromabschirmung symmetrisch
zu dem sie umgebenden, flußerzeugenden Körper liegen; außerdem soll die Mittelebene
der Abschirmung und des flußerzeugenden Körpers zusammenfallen. Die Schnittlinie
zwischen, der Oberfläche einer Abschirmung und einer Ebene senkrecht zur in Längsrichtung
verlaufenden Schwerachse bildet somit einen Kreis. Der Kreis, der von einer senkrechten
Ebene gebildet ist, die durch die Mitte der in Längsrichtung verlaufenden Schwerachse
hindurchgeht, hat an der Stelle 21 in F i g. 1 und an der Stelle 21' in F i g. 3
den größten Durchmesser; die Kreise, die von ähnlichen, die Enden der Abschirmung
schneidenden Ebenen gebildet sind, besitzen an der Stelle 22- in F i g. 1 und 22'
in F i g. 3 den geringsten Durchmesser derjenigen Kreise, die von ähnlichen, die
übrigen Abschnitte der Abschirmung durchschneidenden - Ebenen gebildet sind, nimmt
allmählich ab, wenn man sich in der Richtung der Pfeile 19 und 19' aus der Ebene
entfernt, die durch die Mitte hindurchgeht.
-
Eine Abschirmung gemäß der Erfindung kann noch andere Formen als die
angegebene, z. B. eine Faßform, eine kugelartige oder eine elliptische Form aufweisen,
falls die zuvor beschriebenen Beziehungen. zwischen der Abschirmung und dem den
Fluß erzeugenden Körper eingehalten sind. Die beschriebenen geometrischen Formen
sind die gesuchten theoretisch einwandfreien Formen, aber bei den im Handel erhältlichen
Geräten werden Abweichungen von der einwandfreien geometrischen Gestalt im Rahmen
der praktischen Herstellungstoleranzen festgestellt.
-
Der magnetische Fluß der Wicklung 11 wird von der Hülle 12 deswegen
abgehalten, weil er von der Abschirmung 20 begrenzt wird, in der er Wirbelströme
erzeugt.
Die Wechselwirkung zwischen dem Fluß und den Wirbelströmen verursacht mechanische
Beanspruchungen in der Abschirmung, die Ausbiegungen oder mechanische Schwingungen
bei den hörbaren Frequenzen bewirken. Eine Abschirmung gemäß der Erfindung ist beträchtlich
steifer unter den Bedingungen der mechanischen Beanspruchung, die gewöhnlich auftreten,
weil Abschnitte der Abschirmung weiter von der Biegeachse entfernt sind; der Widerstand
der Abschirmung gegen eine Biegung ist nämlich eine Funktion des Abstandsquadrates
von der Achse. Die doppelt konische Abschirmung gemäß den F i g. 1 und 2, die z.
B. eine Wanddicke von 1,27 cm, eine Gesamthöhe von 177,8 cm, einen größten Radius
von 147,3 cm in der Mittelebene und einen kleinsten Radius von 137,2 cm an den Enden
besitzt, ist theoretisch 64mal steifer als eine Abschirmung in Form eines geraden
kreisrunden Zylinders von derselben Dicke und Höhe und einem Radius von 147,3 cm.
Dadurch, daß die Enden der Abschirmung dichter an der Wicklung als die Mitte vorgesehen
sind, ist die Steifigkeit der Abschirmung stark vergrößert. Wenn auch die sphärischen
Abschirmungen gemäß F i g. 3 steifer als die doppelt konische Abschirmung der F
i g. 1 und 2 ist, zieht man die Ausführungsform der F i g. 1 und 2 im Hinblick auf
die größere Kostspieligkeit und die Schwierigkeiten bei der Herstellung der sphärischen
oder kugelartigen Gestalt vor. Wie man herausgefunden hat, zeigen Rechnungen und
vergleichende Prüfungen für eine handelsmäßig erzeugte Drosselspule, deren Leistung
26 NVA beträgt, in Vergleich mit anderen Drosselspulen, die eine zylindrische Abschirmung
enthalten, daß durch die Verwendung einer Abschirmung von der Form gemäß den F i
g. 1 und 2 der Schallpegel um etwa 10 Degibel vermindert wird, so daß der endgültige
Schallpegel etwa 60 Degibel beträgt.
-
Wirbelstromabschirmungen gemäß der Erfindung sind nicht nur steifer,
sondern beschränken auch den Fluß stärker, wenn man sie mit bekannten Abschirmungen
vergleicht. Wie man in Verbindung mit F i g. 3 erkennen kann, in der von den Wicklungen
11 magnetische Flußlinien F erzeugt werden, so suchen die Flußlinien F sich in Bereichen
30 nach außen zu krümmen, so daß sie, roh gesehen, parallel zur Innenfläche der
Abschirmung 20' verlaufen. Eine größere Anzahl von Flußlinien sind auf den Raum
innerhalb der Abschirmung 20' beschränkt, ohne daß sie die Abschirmung tatsächlich
schneiden; dies würde jedoch der Fall sein, wenn die Abschirmung die Form eines
geraden, kreisrunden Zylinders hätte. Derselbe Effekt wird in einem etwas geringeren
Ausmaß mit der doppelt konischen Abschirmung 20 der F i g. 1 und 2 erreicht.
-
Eine Abschirmung, deren Mittelabschnitt möglichst weit von der Wicklung
11 entfernt ist, beschränkt den Fluß auch aus einem anderen Grund noch stärker;
es werden mehr Flußlinien im Raum innerhalb der Abschirmung eingeschlossen, weil
ihre Zahl in der horizontalen Ebene größer ist, die durch die Mittelebene der Wicklung
11 hindurchgeht, da ein stärkerer Fluß in der Mitte der Wicklung verlorengeht. Wie
man einsieht, werden die Wirbelstromverluste in der Abschirmung bei dem Gerät gemäß
der Erfindung herabgesetzt.
-
In den F i g. 1 und 2 ist auch eine Gaszelle gemäß der Erfindung zu
sehen, die eine übertragung des Schalls von einem vibrierenden Körper des Gerätes,
z. B. der Abschirmung 20 über die Flüssigkeit auf einen Behälter, z. B. die Hülle
12 verhindert. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht,
daß ein ziemlich dünnes Metallblech 40
z. B. aus Stahl dicht neben der Wand
15 angeordnet ist, das eine ziemlich biegsame Sperre zur Absorbtion der Schallenergie
darstellt. Zwischen der Hüllenwand 15 und der biegsamen Sperre 40 ist somit ein
Gasraum 41 gebildet. Das den Raum 41 einnehmende Gas kann Luft, Stickstoff oder
ein Gas mit großer Dielektrizitätskonstante, z. B. Schwefelhexafluorid (SFB), sein,
falls es mit der dielektrischen Flüssigkeit 17 verträglich ist. Da ein Gas mechanische
Schwingungen schlechter als Flüssigkeiten und Festkörper überträgt, wird die Zahl
der mechanischen Schwingungen herabgesetzt, die im Gerät erzeugt werden und schließlich
die Hülle 12 erreichen.
-
Allgemein betrachtet, ist die zuvor beschriebene doppelwandige Hülle
an sich bekannt. Wie man jedoch herausgefunden hat, braucht der Gasraum 41, wenn
die Hülle 12 einen kreisrunden Querschnitt besitzt, nicht mit einem Festkörper oder
einer Flüssigkeit ausgefüllt zu sein, um die ziemlich dünne Sperrwand 40 abzustützen,
damit sie nicht unter dem Gewicht der Flüssigkeit 17 zerbricht. Der Grund
hierfür besteht darin, daß die Flüssigkeit 17 im wesentlichen nur innere Ringspannungen
in der Sperrwand 40 erzeugt. Daher kann die kreisrunde Sperrwand 40 nicht eingedrückt
werden, wie es der Fall sein würde, wenn die Sperrwand geradlinig oder nicht kreisförmige
Seitenwände besäße. Aus demselben Grund braucht der Gasraum nicht einem erhöhten
Druck ausgesetzt zu sein, um die Sperrwand 40 zu haltern; die Sperrwand 40 ist so
widerstandsfähig, daß sie nicht zusammenbricht, wenn der Gasraum 41 ein Teilvakuum
enthält.
-
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist ein oberes Ende 43 der Sperrwand,
das nicht an der Hüllenwand 15 festgemacht ist. Hierdurch kann sich die Sperrwand
40 beim Auftreffen von Schallwellen oder mechanischen Schwingungen freier bewegen,
wodurch die schallabsorbierenden Eigenschaften verbessert werden. Ein unteres Ende
44 der Sperrwand 40 kann in gewünschter Weise mit der Bodenfläche 14 der Hülle 12
vereinigt sein. Die Bodenfläche 14 ist ziemlich starr, weil sie an starren Verstärkungskörpern
16 festgemacht ist. Somit sind die Wand 15 und die Sperrwand 40 an einer Stelle
verbunden, an der die mechanischen Schwingungen am wenigsten unmittelbar von dem
einen Körper zum anderen übertragen werden können.
-
Die Sperrwand 40 bildet an ihrer Innenseite einen Behälter zur Aufnahme
der Flüssigkeit 17. Daher muß sie sich oberhalb der Wicklungen 11 so weit ausdehnen,
daß eine Ausdehnung und Zusammenziehung der Flüssigkeit 17 bei Temperaturänderungen
möglich ist, wobei die Wicklungen 11 stets vollständig eingetaucht sein müssen.
-
Obwohl der Erfindungsgegenstand durch zusammenwirkende Anordnungen
in einer kernlosen elektrischen Drosselspule erläutert ist, können die Anordnungen
auch unabhängig voneinander in verschiedenen Arten elektrischer Geräte angewendet
werden.
-
Wenn auch die dargestellten beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
bevorzugt sind, sei der Erfindungsgegenstand nicht nur auf alle gleichwertigen
Formen
beschränkt. Zum Beispiel kann eine Wirbelstromabschirmung auch bei sogenannten trockenen
Drosselspulen, solchen mit Luftkern und solchen, die in einer Flüssigkeit eingetaucht
sind, verwendet werden.