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"Vorrichtung zur Herabsetzung der Wirbelst romverluste" Zur Verminderung
von Wirbelstromverlusten in wechselst romerregten, eisenhaltigen magnetischen Kreisen
werden bekanntlich die Eisenteile der magnetischen Kreise aus Blechen aufgebaut.
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Dadurch wird verhindert, daß sich Wirbelströme senkrecht zur Blechebene
in nennenswertem Umfang ausbilden können. Solche Wirbelströme werden von magnetischen
Flüssen erzeugt, die parallel zu den Blechebenen verlaufen. Eine schematische Darstellung
dieser Verhältnisse zeigt Fig. 1 ( m magnetischer Fluß, bzw Wirbelstrom).
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Treten jedoch die magnetischen Flüsse senkrecht zu den Blechebenen
in die Bleche ein, so können sich in der Blechebene erhebliche Wirbelströme ausbilden,
die ihrerseits das Eindringen der Flüsse in die Bleche verhindern. Diese Vorgänge
sind schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die so erzeugten Wirbelströme fließen allerdings
nur innerhalb der sog. Eindringtiefe, die bekanntlich um so kleiner ist, je höher
die Frequenz der Flüsse und je größer die relative Permeabilität des Eisens ist.
In diesem Fall sind also nennenswerte Wirbelstromverluste zu erwarten, da die von
den Wirbelströmen erzeugten Rückwirkungsflüsse praktisch in der Größenordnung der
magnetisierenden
Flüsse liegen.
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In Fig. 3 ist ein stark idealisierter Sonderfall gezeigt, wobei ein
Stromfaden (i) vor einem massiven Halbraum aus Eisen vorbeiführt, parallel zur Grenze
des Halbraumes, also parallel zur y-z-Ebene.
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Würde man in diesem Fall eine Blechung in der y-z-Ebene durchführen,
so könnten sich trotzdem Wirbelströme ausbilden, die in dieser y-z-Ebene verlaufen.
Sie werden durch die senkrecht zu dieser Ebene gerichteten Komponenten (Ht) der
magnetischen Feldstärke (H) hervorgerufen, die durch den Stromfaden erzeugt werden.
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Durch eine solche Blechung wird also das Wirbelstromverhalten dieser
Anordnung nicht beeinträchtigt. Das Eisen verhält sich so, als ob es massiv wäre.
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Bei vorgegebener Spannung bzw. bei vorgegebenem magnetisierendem Fluß
sind die Verluste proportional dem Quadrat der Spannung geteilt durch den Ohmschen
Widerstand (U2: R). Diese Verluste werden also um so kleiner, je größer der Ohmsche
Widerstand der Wirbelstrombahn ist. Dies ist bekanntlich auch der Grund, warum man
magnetische Kreise für Wechselstrom nicht massiv ausführt, sondern blecht.
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Liegt dagegen eine Speisung mit vorgegebenem Strom vor, so sind die
Verluste bekanntlich dem Quadrat des Stromes multipliziert mit dem Ohmschen Widerstand
der Wirbelstrombahn proportional (12 R).
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Die Verluste werden dann um so kleiner, je kleiner man den Widerstand
der Wirbelstrombahn macht.
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Verhältnisse dieser Art liegen praktisch in den Stirnräumen rotierender
elektrischer Maschinen und bei Transformatoren zum Teil an den äußeren Endblechen
vor. Ein Schnitt durch einen geblechten Transformator-Kern (Fig. 4) zeigt an den
Stellen A die durch Wirbelstrombildung gefährdeten Bereiche. Auf diese Weise bilden
sich sowohl bei rotierenden elektrischen Maschinen als auch bei Transformatoren
und anderen elektrischen Geräten mit geblechten Eisenkernen erhebliche
Wirbelstromverluste
aus, die nicht nur den Wirkungsgrad vermindern, sondern auch zu unerwünschten örtlichen
Erwärmungen führen und die Richtung der Kurzschlußkräfte aul die Wicklungen erheblich
beeinflussen.
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Eine Herabsetzung der elektrischen Wirbelstromverluste in wechselstrom-erregten
eisenhaltigen magnetischen Kreisen, deren Eisenteile aus Blechen bestehen, wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß parallel zu den äußeren Blechen auf diesen
eine Abschirmung aus einem Material mit erheblich geringerem elektrischen Widerstand
als das Material des übrigen eisenhaltigen magnetischen Kreises angebracht ist.
Vorzugsweise besteht die Abschirmung aus Kupfer und hat dieselbe Form wie das letzte
Blech, so daß dieses deckungsgleich abgedeckt wird. Bei größeren Dimensionen solcher
Bleche kann man auch nur diejenigen Bereiche der äußeren Bleche abdecken, die den
erregenden Durchflutungen am nächsten liegen.
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Dies bedeutet, daß beispielsweise bei rotations-symmetrischen magnetischen
Kreisen, wie bei Blechpaketen elektrischer Maschinen bis etwa zur Hälfte des Außendurchmessers
im Läufer bzw. ab etwa der Hälfte des Außendurchmessers im Ständer keine Abschirmung
angebracht ist.
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Nun bilden sich aber an denjenigen Stellen, an denen bei rotierenden
elektrischen Maschinen die Leiter in die Nuten eintreten, Flüsse, die die axial
verlaufenden Ströme umschließen und die damit in den Abschirmungen ihrerseits Wirbelströme
senkrecht zur Blechebene erzeugen können. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, diese
Abschirmungen mehrschichtig gegeneinander isoliert auszuführen, insbesondere aus
einzelnen gegeneinander isolierten Blechen herzustellen, wie dies bei einem geblechten
Eisenkern der Fall ist. Da die Eindringtiefe der Wirbelströme umgekehrt proportional
zu ihrer Frequenz ist, richtet sich die Dicke der Abschirmung nach der
tiefsten
zu erwartenden Frequenz, also im allgemeinen nach der Netzfrequenz. Für die höheren
Frequenzen der Oberfelder ist dann die Wirkung der Abschirmung natürlich wesentlich
größer. Eine solche Abschirmung wird zweckmäßigerweise aus gegeneinander isolierten
Kupferblechen aufgebaut, die beispielsweise im selben Stanzvorgang wie die Eisenbleche
hergestellt werden.
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Die grundsätzliche Wirkungsweise von Abschirmungen aus gut leitendem
Material ist bekannt. So werden z. B. die Kessel von Transformatoren an der Innenseite
mit Schirmplatten versehen, um Streufelder daran zu hindern, in das Kesselgehäuse
einzudringen.
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Auch werden die Preßplatten von Turbogeneratoren mit Kupferschirmblechen
ausgerüstet, um die Wirbelstromverluste dieser massiven, elektrisch schlecht leitenden
Preßplatten herabzusetzen. Gemäß der Erfindung ist es jedoch wesentlich, Schirmplatten
oder Beläge an die Eisenkerne selbst anzubringen, ausgehend von der neuen Erkenntnis,
daß dadurch die Wirbelströme, die in den Eisenblechen in der Blechebene fließen,
abgedämpft werden. Darüber hinaus lehrt die Erfindung, daß es darauf ankommt, eine
Abschirmung nicht nur nach der Dicke des Eisens zu beurteilen und dort anzubringen,
wo massives Eisen verwendet wird, sondern bevorzugt auch auf geblechtes Eisen und
insbesondere da, wo das Eisen den erregenden Durchflutungen am nächsten kommt.
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Bisher glaubte man, der größte Teil der sog. Zusatzverluste bei elektrischen
Maschinen sei auf Stanzeinflüsse und auf Kurzschlüsse zwischen den Blechen zurückzuführen.
Nach der Erkenntnis der Erfindung wird aber gerade dieser Teil der bisher nur oberflächlich
zu schätzenden Zusatzverluste durch die Wirbelströme hervorgerufen, die in der Blechebene
fließen. Dämpft man diese Wirbelströme ab, d. h. verwendet man einen Schirm aus
elektrisch gut leitendem Material, so werden die Verluste erheblich reduziert. Dies
hat zur Folge, daß man entweder einen verbesserten Wirkungsgrad erzielen
oder
aber bei gleichem Wirkungsgrad schlechtere und damit billigere Bleche für den Eisenkern
verwenden kann. Dies trifft vor allem für elektrische Maschinen kleiner bis mittlerer
Leistung zu.
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Die Abhängigkeit der Zusatzverluste in den Endblechen einer elektrischen
Maschine von der Blechdicke der Abschirmung zeigt das Schaubild der Fig. 5, aus
dem man für einen bestimmten relativierten Dimensionsfall erkennen kann, daß bereits
bei einem Kupferschirm von 0, 2 cm Dicke die Verluste auf den 0, 15-fachen Wert
derjenigen Zusatzverluste sinken, die ohne Abschirmung auftreten. Eine Senkung der
Zusatzverluste in den beiden Stirnflächen um demnach 85 % ist mit einem geringen
materiellen Mehraufwand bereits zu erreichen. Er steht in keinem Verhältnis zu den
Ersparnissen an Verlustleistung.
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Es empfiehlt sich, insbesondere bei Asynchron-Maschinen die Außenflächen
des Ständer- und Läuferblechpakets mit Abschirmungen von geeigneter Dicke zu versehen,
wobei die von den erregenden Durchflutungen weit abliegenden Bereiche ohne Abdeckungen
bleiben können.
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Dies sind im Läufer im wesentlichen die Bereiche in der Nähe der Achse,
im Ständer in der Nähe der Rückenmantelfläche.
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Bei Turbogeneratoren und Schenkelpolmaschinen sollten die Abschirmungen
vor allem bis in die Zähne hineinreichen; bei Schenkelpolmaschinen mit geblechten
Polschuhen sind auch diese zweckmäßigerweise mit Abschirmungen zu versehen, d. h.
die Endbleche der Polschuhe sind mit Kupferblechen abzudecken.
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Die in Fig. 4 besonders gekennzeichneten Bereiche A sind bei Transformatoren
sinnvollerweise abzuschirmen, wobei die Abschirmungen aus konstruktiven Gründen
in den mittleren Bereichen durch den Kernquerschnitt hindurchgehen können, d. h.
das jeweils letzte Blech einer bestimmten Blechbreite besteht aus Kupfer.