DE2650074A1

DE2650074A1 - Kernblech fuer mantelkerne, insbesondere fuer transformatoren

Info

Publication number: DE2650074A1
Application number: DE19762650074
Authority: DE
Inventors: Bernhard Philberth; Karl Dr Philberth
Original assignee: PHILBERTH KARL DR PHYS
Current assignee: PHILBERTH KARL DR PHYS
Priority date: 1976-10-30
Filing date: 1976-10-30
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2650074B2; CH619067A5; AU2982377A; CA1056924A; US4158186A; AU506337B2

Description

Dt. K ^: I :.::.ih

Kernt)lecb für Mantelkerne, insbesondere für Transformatoren

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Kernblech für Mantelkerne, insbesondere für Transformatoren, aus einer Mehrzahl von wechselweise gegeneinander geschichteten Kernblechen, mit einem Mittelschenkel, zwei dazu im Abstand befindlichen parallelen Außenschenkeln und zwei deren Enden verbindenden Jochen, wobei zum Einschichten in die Wicklung zwischen einem Ende des Mittelschenkels und dem benachbarten Joch mindestens eine Trennfuge vorgesehen ist.

Bei den bekannten Kernblechen dieser Art sind die durch den Mittelschenkel, die beiden Außenschenkel und die beiden Joche gebildeten Fenster symme.trisch angeordnet, so daß die Breiten der beiden Joche einander gleich .sind. Der wesentlichste Nachteil besteht darin, daß im wechselseitig geschichteten Mantelkern 50$ des Material-Querschnitts im Joch aus durchtrennten Kernblech-Jochen besteht. Dieser hohe Anteil an mit Trennfugen versehenem Querschnitt bedeutet hohen magnetischen Widerstand und damit verminderten Wirkungsgrad.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das Kernblech der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß bei den mit ihm zu erstellenden Kernen eine Verlagerung vom ungünstigen durchtrennten Querschnitt zum günstigen fugenlosen Querschnitt stattfindet, so daß der magnetische Widerstand und die magnetische» Ausstreuung verringert und der Wirkungsgrad verbessert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Breite des fugenlos anschließenden Joches größer ist als die des trennfugenseitigen Joches.

Die Erfindung kann man sich am einfachsten dadurch veranschaulichen, daß man sich bei keinem Kernblech der genormten M-Heihe oder einem anderen bekannten M-Kernblech die ^eiden Fenster mitsamt den Trennfugen um beispielsweise einige Millimeter in Richtung auf das trennfugenseitige Joch ver-schoben denkt. Durch diese Verschiebung wird der Aufwand an Material, an Stanzwerkzeug und an Einschiebtzeit nicht vergrößert; ferner bleibt der Jochmaterial-Querschnitt des geschichteten Kerns unverändert. Durch die Verschiebung ist aber erreicht, daß im wechselseitig geschichteten Kern weniger als 50$ des Jochmaterial-Querschnitts aus durchtrennten Kernblech-Jochen besteht. Freilich ist durch dies'e Verschiebung beim wechselseitig geschichteten Mantelkern die lichte Länge des Kernfensters gegenüber dem Fenster

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des einzelnen Kernbleches verringert. Das schadet aber nicht, da bei M-Kernen die Schachtlänge des Spulenkörpers bzw. der Wicklung ohnehin kürzer sein muß als die des Kernblechfensters, da sonst ein Einschichten nicht möglich ist.

Offensichtlich ist in einem wechselseitig geschichteten Kern aus erfindungs gemäß en Kernblechen der aus durchtrennten Kernblech·* Jochen bestehende Querschnittsanteil weniger als 50$ und der aus fugenlos anschließenden Jochen entsprechend größer als 50$ vom gesamten Joch-Querschnitt. Beispielsweise gegenüber M-Kernen der Uormreihe kann der aus fugenlos anschließenden Jochen gebildete Querschnitt auf beiden Seiten ohne weiteres um etwa 10$ oder sogar 15$ gesteigert werden. Die Möglichkeit einer derart starken Steigerung braucht aber gar nicht voll ausgenutzt zu werden; denn schon eine Steigerung von 3$ bringt eine merkliche, eine Steigerung von 5$ eine beachtliche Verbesserung. Das bringt schon ohne die besonderen Effekte zu berücksichtigen^ inen erheblichen Rückgang des magnetischen Widerstandes. Die weiteren speziellen Torteile sind nachfolgende:

Ein Teil des aus dem Mittelschenkel austretenden magnetischen Flusses kann mit verkürzter magnetischer Weglänge seitlich in die fugenlos anschließenden Kernblech-Joche einschwenken, ohne dabei eine Trennfuge zu passieren. Von dieser Möglichkeit machen die Feldlinien besonders starken Gebrauch, da hier die Weglänge besonders kurz und damit die Feldstärke besonders hoch ist. Der in aihsialer Richtung vordringende Anteil des magnetischen Flusses ist somit beachtlich reduziert, was nicht nur den Blindstrom sondern auch die jochseitige Ausstreuung reduziert. Insgesamt ist der Bereich, in dem der magnetische Fluß von seiner achsialen Richtung im Mittelschenkel auf die jochparallele Richtung umschwenkt, gegenüber den entsprechenden herkömmlichen Kernen vergrößert, was besonders bei kornorientiertem Material von Vorteil ist.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Mantelkernen ist beim Mantelkern aus den erfindungsgemäßen Kernblechen der Spulenkörper in achsialer Richtung des Mittelschenkels ps^rktisch fixiert. Jedes erfindungsgemäße Kernblech hat unmittelbar nach Beendigung seiner Einschichtbewegung in achsialer Richtung etwa die Lage, die es im endgültigen Kernpaket hat. Das ist besonders für maschinelle Einschichtung vorteilhaft.

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Eine genaue Fixierung des Spulenkörpers wird erreicht, wenn die Länge der zum Mittelschenkel parallelen Kante des Kernblechs etwa der doppelten Breite des fugenlos anschließenden Joches zuzüglich der Schachtlänge des Spulenkörpers entspricht.

Es ist besonders -vorteilhaft, die Erfindung auf Kernbleche anzuwenden, deren Trennfugen als Haarspalte mit etwa 0,1 mm bis 0,2 mm Spaltbreite ausgebildet sind. Diese erst in jüngerer Zeit üblich gewordenen Haarspalt-Trennfugen sind für maschinelle Einschichtung der Kernbleche praktisch unerläßlich. Ihr magnetischer Widerstand ist aber derart groß, daß an ihnen fast der ganze magnetische Fluß in die ungetrennten Nachbar-Ble chlagen des Mantelkerns ausweichen muß. Die Erfindung ermöglicht das vollständige Ausweichen in dabei sich nicht übersättigende ungetrennte Fachbar-Blechlagen, da bei den erf indungs gemäßen Kernblel3\cBn der ungetrennte Querschnitt aufkosten des getrennten vergrößert ist.

Besonders vorteilhafte Eigenschaften werden erzielt, wenn der Trennfugenverlauf der erfindungsgemäßen Kernbleche bezüglich der Mittelachse unsymmetrisch ist. Wenn derartige Kernbleche im Mantelkern in abwechselnd 4 verschiedenen Lagen geschichtet sind, treffen auf jede Trennfuge drei an dieser S.eile unjßtrennte Blechlagen, auf die der magnetische Fluß ausweichen kann. Damit läßt sich bei erstaunlich kleinem Aufwand der störende Einfluß der Trennfugen so gut wie ausschalten.

Erfindungsgemäße Kernbleche der vorgenannten Art haben aber nicht nur den additiven Vorteil der unterschiedlichen Jochbreite und der unsymmetrischen Trennfugen. Hinzu kommt ein wichtiger Kombinationseffekt: Aus praktischen Gründen pflegen die Trennfugen an den zwei dem selben Joch zugehörigen inneren Fensterecken des Kernblechs anzusetzen. Daher trifft an jedem Kernblech-Fenstereck und in dessen unmittelbarer Nachbarschaft auf jede Trennfuge nur eine ungetrennte Blechlage. Deshalb ist beim aus üblichen Kernblechen geschichteten Mantelkern gerade in dessen besonders wichtigem inneren Fenstereck-Bereich der magnetische Widerstand besonders hoch. Dagegen ist bei einem Mantelkern aus erfindungsgemäßen Kernblechen mit unsymmetrischen Trennfugen im Bereich der lichten inneren Fensterecken überhaupt keine Trennfuge. Außerdem liegt das getrennte Kernblech-Fenstereck innerhalb des Mantelkern-Joches, wo es vom magnetischen Fluß auch seitlich umgangen werden

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kann und das Material, in dem die Umgehung erfolgt, nicht durch die Stanzkanten geschädigt ist. Anstelle einer einzigen in 4 verschiedenen Lagen geschichteten Kernblech-Sorte mit unsymmetrischen Trennfugen können natürlich in einem Mantelkern auch zwei oder mehr verschiedene Sorten erfindungsgemäßer Kernbleche mit voneinander -verschiedener Trennfugenführung in abwechselnder Schichtung enthalten sein.

Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Kernblech derart mit zur Mittelachse unsymmetrischen Trennfugen auszuführen, daß die eine Trennfuge in geradliniger Verlängerung der einen Mittelschenkel-Längskante über das Joch verläuft und daß die andere Trennfuge von dein einen Fenstereek$ beginnend schräg gegen die Mittelachse zu über das Joch läuft. Diese Art von Trennfugen ist werkzeugtechnisch leicht zu erstellen und ergibt im wechselseitig geschichteten Mantelkern kleine magnetische Übergangswiderstände, da diese Trennfugen lang sind und zwischen ihnen große Überlappungsflächen liegen, auf denen der magnetische Fluß zwischen getrennten und ungetrennten Blechlagen überwechseln kann.

ITm die erfindungs gemäß en Kernbleche mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenvarlauf mit herkömmlichen Schichtmaschinen einschichten zu können, kann es vorteilhaft s'ein, wenn die Trennung des Mittelschenkelendes vom benachbarten Joch durch eine einzige Trennfuge erfolgt, die die Jochaußenkante nirgends erreicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Kernblechs mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf besteht darin, daß der zur Mittelschenkelrichtung bezogene Trennfugenwinkol am einen Fenstereck um mindestens einen halben rechten Winkel größer als der Trennfugenwinkel am anderen Fenstereck ist. Damit streben im 4-fach wechselseitig geschichteten Mantelkern die am inneren Fenstereck sich deckenden Projektionen der Trennfugen rasch auseinander, so daß schon in kleinem Abstand vom inneren Fenstereck gute Ausweichmöglichkeit für den magnetischen Fluß besteht.

Hinsichtlich Fertigung, magnetischem Widerstand und magnetischer Ausstreuung besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Kernbißch mit zwei zur Mittelachse unsymmetrischen Trennfugen, die so geführt sind, daß beide von je einem inneren Fenstereck aus in -äes? Hauptrichtung schräg nach innen geneigt zurνAußenkante verlaufen und

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weder sich, gegenseitig noch die gedachte Yerbindungsüüie zwischen innerem Fenstereck und Jochaußenkanten-Mitte überschneiden, und daß die eine Trennfuge am inneren Fenstereck mit einer geradlinigen Verlängerung der Mittelschenkelkante ansetzt, während die andere Trennfuge am inneren Fenstereck sogleich zur Mittelachse geneigt ansetzt. Bei dieser Anordnung kann sich der vom Mittelschenkel kommende msi^etische Fluß ausreichend auffächern, bevor er die weiter innen gelegene Trennfuge erreicht, jede Trennfuge schließt im 4-fach abwechselnd geschichteten Mantelkern mit der darunter liegenden anderen Trennfuge auf fast ihrer ganzen Länge ein genügend großes Üb erlappungsgebiet ein, ein großer Teil des magnetischen Flusses kann schon relativ nahe dem inneren Fenstereek ins Joch übertreten und die magnetische Spannungsfläche an der Jochaußenkante ist klein; die Trennfugenlänge ist ungewöhnlich groß. Die Kernbleche sind leicht von Hand oder Maschine in die Wicklung einzuschichten. Es genügt ein nur nahe der Jochaußenkante entlanglaufender Spannrahmen, um die Mittelschenkelenden mechanisch festzudrücken.

Das genannte Überlappungsgebiet eines Mantelkerns aus letztgenannten Kernblechen ist geradezu ideal. Seine Breite erreicht einerseits die bei den heute für Siliziumeisen-Materiale üblichen Qualitäten und Füllfaktoren anstrebenswerten Werte von 1 mm bis 2 mm. Andererseits ist diese Breite nirgends so groß, daß der magnetische Fluß innerhalb dieser Überlappungsgebiete seine Richtung wesentlich ändern muß, was bei kornorientiertem Material Verluste verursacht.

V/e it gehende Unterdrückung des magnetischen Widerstandes der Trennfugen in einem Mantelkern aus 4-fach wechselseitig gelegten erfindungsgemäßen Kernblechen mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf ist dann gegeben, wenn die gesamte Trennfugenlänge in jedem Kernblech mindestens 4/3 mal so groß ist, wie die um die Differenz der beiden Jochbreiten verringerte Mittelschenkelbreite.Nut In diesem Fall kann der magnetische Fluß an den Trennfugen vollständig in ungetrennte Blechlagen ausweichen, ohne daß in diesen eine auf den Mittelschenkel bezogene Querschnittsverengung auftritt.

Bei zur Mittelachse symmetrischem Trennfugenverlauf dagegen muß die gesamte Trennfugenlänge in jedem Kernblech mindestens 2 mal so groß sein wie die um die Differenz der beiden Jochbreiten verringerte Mittelschenkelbreite, damit der gleiche Zweck erreicht wird.

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Hervorragende Eigenschaften erzielt ein Mantelkern aus erfindungsgemäßen Kernblechen, wenn bei den Kernblechen die Breite der Außen- rund 1 ,^25-fach und die Breite der Joch rund 1,35-fach der halben Mittelschenkelbreite ist. Hinsichtlich der Außenschenkel ist damit der Optimierungsregel Rechnung getragen, daß unumwiekelte Schenkel größeren Querschnitt haben sollen als umwickelte. Hinsichtlich der Joche ist damit außerdem dem Querlaufen des magnetischen Flusses und der Unterbringung genügend langer Trennfugen in bester Weise Rechnung getragen - sowohl für isotropes als auch für kornorientiertes Material.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig.1 die Draufsicht auf ein Kernblech mit unsymmetrischer Trennfugenführung und gegenüber der Mittelschenkel-Hälfte verbreiterten Außensohenkeln und Jochenj

Pig.2 die Draufsicht auf einen aus einzelnen Kernblechen gemäß Fig.1 geschichteten Mantelkern mit unbewickeltem Spulenkörper;

Fig.3 einen Schnitt durch den Mantelkern mit Spulenkörper nach Fig»2;

Fig.4 die teilweise Draufsicht auf einen Mantelkern aus Kernblechen bei denen der zur Mittelschenkelrichtung bezogene Trennfugenwinkel am einen Fenstereck um etwa 90 größer als am anderen Fenstereck ist;

Fig.5 die teilweise Draufsicht auf einen Mantelkern m±i aus Kernbleichen mit unsymmetrischer, das Joch durchlaufender Trennfugenführung j

Fig.6 die teilweise Draufsicht auf einen Mantelkern aus Kernblechen mit symmetrischer, jochkantenparalleler Trennfugenführung.

Das Kernblech nach Fig.1 ist quadratisch ausgebildet und besteht aus einem Mittelschenkel 1, zwei dazu im Abstand befindlichen parallelen Außenschenkeln 2 und 3 und zwei deren Enden verbindenden Jochen 4 und 5, wobei zum Einschichten in die in Fig.1 nicht gezeigte Wicklung zwischen dem einen Ende 7 des Mittelschenkels 1 und dem benachbarten Joch 4 zwei Trennfugen 8a und 8b vorgesehen sind. Die Trennfugen 8a und 8b sind unsymmetrisch zur Mittelachse 9 des Mittelschenkels 1 geführt und als Haarspalte ausgebildet. Die Breite b der Außenschenkel 2 und 3 und die Breite c* und <v der Joche 4 und 5 ist größer als die halbe Breite f/2 des Mittelschenkels 1. Der Mittelschenkel 1, die Außenschenkel 2 und 3 und die Joche 4 und 5 schließen die Fenster 10 und 11 ein, deren in Richtung

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der Mittelacbe 9 gerechnete Länge e ist. Gemäß der Erfindung ist die Breite c. des fugenlos anschließenden Joches 5 größer als die Breite C₂ des trennfugenseitigen Joches 4. Es ist also o^y· c«» so daß die Fenster 10 und 11 unsymmetrisch zur Querachse 6 liegen. Die zum Mittelschenkel 1 parallele Außenkante weist die Länge a auf.

Der Mantelkern nach Pig»2 enthält Kernbleche nach Fig1, die in abwechselnd vier verschiedenen Lagen eingeschichtet sind. Die Innenkante*^ der fugenlos anschließenden Kernblech-Joche 5 liegen nahezu an den Flanschen 13 des die nicht dargestellte Wicklung tragenden Spulenkörpers 14 an. Dagegen haben die Innenkanten 15 der trennfugenseitigen Kernblech-Joche 4 um die Kernblech-Jochbreitendifferenz C₁-Cp vergrößerte Abstände von den Flanschen 13 des Spulenkörpers 14. Die lichte länge e^ des Mantelkern-Fensters ist um die Kernblech-Jochbreitendifferenz c.,-Cp kurzer als die Länge e der Fenster 10 und 11 der einzelnen Kernbleche.

Die den Figuren 4 und 6 zugrundeliegenden Kernbleche haben nur eine Trennfuge 8, während die der Fig.5 zugrundeliegenden Kernbleche Trennfugen 8a und 8b haben. Sie sind als ausgezogene Linien dargestellt. Die strichlierten Linien in den Figuren 4 und 5 zeigen die Trennfugen 8 bzw. 8a und 8b von darunterliegenden Kernblechen, die hinsichtlich der Mittelachse 9 symmetrisch zu den Trennfugen 8 bzw. 8a und 8b des obersten Kernblechs bzw. den dazu gleich liegenden weiteren Kernblechen liegen.

Der Hauptverlauf der in Fig.4 gezeigten Trennfuge 8 hat auf beiden Seiten der SzKHHings Mittelachse 9 bezüglich dieser einen Winkel von fast 60 . Das ist besonders günstig bei Verwendung von kornorientiertem Material mit parallel zur Mittelachse liegender Vorzugs-

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richtung. Die Trennfugetbeginnt im einen Fenstereck senkrecht zur Mittelachse 9 und endet im symmetrischen Fenstereck parallel dazu.

In Fig.5 verlaufen die Trennfugen 8a und 8b wiederum quer von den Fensterecken zur Außenkante des Jochs 4· Die eine setzt im Fenstereck mit einer geradlinigen Verlängerung der Mittelschenkelkante an, die andere verläuft sogleich schräg zur Mittelachset. Beide enden in der Fähe der Mittelachse 9, jedoch mit ungleichem Abstand, da sie in ihrem Mittelbereich parallel zueinander laufen. Beide enden jochaußenseitig etwa parallel zur Mittelachse 9. Auch bei diesem Kernblech ist 4-fach wechselseitige Schichtung vorteilhaft.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.6 handelt es sich um die Anwendung- der Erfindung auf die Mantelkerne mit genormten M-Blechen.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1.)Kernblech für Mantelkerne, insbesondere für Transformatoren, aus
einer Mehrzahl von wechselweise gegeneinander geschichteten Kern-Blechen, mit einem Mittelschenkel, zwei dazu im Abstand befindlichen parallelen Außenschenkeln und zwei deren Enden verbindenden
Jochen, wobei zum Einschichten in die Yficklung zwischen einem Ende des Mittelschenkels und dem benachbarten Joch mindestens eine Trenn fuge vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des
fugenlos anschließenden Joches größer ist als die des trennfugenseitigen Joches (c.^Cp).

Kernblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Trennfuge als Haarspalt ausgebildet ist.

Kernblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennfugenverlauf bezüglich der Mittelachse unsymmetrisch ist.

Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» ctHdtoraEli xsksHHKsiEkHst mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Trennfugenlänge mindestens 4/3 mal so groß ist wie die um die Differenz (cj—Cp) der
beiden Jochbreiten verringerte Mittelschenkelbreite (f).

Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Trennfuge in geradliniger Verlängerung der einen Mittelschenkel-Längskante über das Joch verläuft unddaß die andere Trennfuge von dem einen Fenstereck beginnend schräg gegen die
Mittelachse zu über das Joch läuft.

Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung des Mittelschenkelendes vom benachbarten Joch durch eine einzige Trennfuge erfolgt, die die Jochaußenkante nirgends erreicht.

Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit zur Mittelachse unsymmetrischem Trennfugenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Mittelschenkelrichtung bezogene Trennfugenwinkel am einen Fenstereck um mindestens einen halben rechten Winkel
größer als der Trennfugenwinkel am anderen Fenstereck ist.

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8. Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 7 mit zwei zur Mittelachse unsymmetrischen Trennfugen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Trennfugen je von einem inneren Fenster eck aus in ihrem hauptsächlichen Verlauf schräg nach innen geneigt zur Joch-Außenkante verlaufen, ohne sich innerhalb des Joches zu überschneiden, und daß die eine Trennfuge am einen inneren Fenstereck mit einer geradlinigen Verlängerung der Mittelschenkelkante ansetzt, während die andere Trennfuge am anderen inneren Fenstereck sogleich zur Mittelachse geneigt ansetzt.

9. Kernblech nach Anspruch 1 cder 2, mit zur Mittelachse symmetrischem Trennfugenverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Trennfugenlänge mindestens doppelt so groß ist wie die um die Differenz (o-Cp) der beiden Jochbreiten verringerte Mittelschenkelbreite (f).

10. Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Außenstege rund 1,25-fach und die mittlere Breite (C./2 + Cg/2) der Joche rund 1,55-fach der halben Mittelschenkelbreite ist.

11.Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Mittelschenkel parallele Kantenlänge (a) etwa der doppelten Breite (c.) des fugenlos anschließenden Joches zuzüglich der Schachtlänge des Spulenkörpers entspricht.

12. Kernblech nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (c.) des fugenlos anschließenden Joches etwa 5$ bis 10$ größer ist als die mittlere Breite (e.,/2 + Cp/2) der beiden Joche.

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