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Anordnung zur Verminderung der Wirbelstrom- und Hysteresisverluste
in elektrischen Apparaten oder Maschinen Um das Arbeiten mit Eisentransformatoren
möglichst wirtschaftlich zu gestalten, ist man bemüht, die Eisenverluste soweit
wie möglich herabzusetzen. Durch die Erfindung werden Anordnungen angegeben, welche
es ermöglichen, d.ie Eisenv erluste gegenüber den bisher bekannten Konstruktionen
weiterhin zu vermindern.
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Gemäß der Erfindung werden elektrische Apparate und Maschinen, bei
denen von elektromagnetischen Wechselfeldern durchflossene Kerne aus ferromagnetischem
Material benutzt werden, so konstruiert, daß die Kerne während des normalen Betriebes
eine höhere Temperatur annehmen. Diese Temperatur wird so gewählt, daß der elektrische
Widerstand des. Eisens und seine Maximalpermeabilität möglichst hoch sind, während
die Koerzitivkraft klein sein soll. Bestimmt man die Temperatur der Kerne nach diesen
Gesichtspunkten, so werden die Wirbelstromverluste klein, und infolge der geringen
Koerzitivkraft werden die Hysteresisverluste auf ein geringes Maß herabgesetzt.
Gleichzeitig kann dadurch, daß die Permeabilität groß ist, die Streuung herabgesetzt
werden. Die Temperatur, die nach diesen Gesichtspunkten am vorteilhaftesten ist,
liegt wesentlich höher als ioo° C. Man hat schon zur Prüfung von hitzebeständiger
Isolierung Transformatoren längere Zeit stark überlastet betrieben, wobei sich die
Wicklungen und infolgedessen auch. die Kerne auf Temperaturen bis zu 25o° C aufgeheizt
haben. Dabei hat man nicht die Temperaturen der Kerne in der Weise bestimmt, daß
ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften möglichst vorteilhaft werden, und
die Kerne im normalen Betrieb auf dieser Temperatur gehalten, sondern man hat nur
die Eigenschaft der Isolierung bei Überlastung der Transformatoren geprüft.
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Die Höhe derjenigen Temperaturen, die gemäß der Erfindung etwa für
die Kerne in Frage kommen, kann man aus bekannten Tabellen über die Leitfähigkeit
des Eisens seiner Koerzitivkraft, Remanenz und Maximalpermeabilität in ihrer Temperaturabhängigkeit
entnehmen. Z. B. findet sich in Landolt - Börnstein »Physikalisch-Chemische Tabellen«
1l, 1923, auf S.1050 für den Widerstand des Eisens bei o° C i,oo, bei ioo°
C 1,6o, bei 20o° C 2,47, bei 300° C 3,49-Andererseits geht aus G e i g e r &
S c h e e 1 »Handbuch der Physik«, 1927, Bd. 15, S. 194 (Abb. 30), hervor, daß die
Koerzitivkraft des Eisens wesentlich erst in einem
Temperaturgebiet
zwischen etwa Zoo und 40o° C abnimmt, während ihre Änderung zwischen Zimmertemperatur
und etwa i 5o° C nur sehr gering ist. Auch die Remanenz nimmt erst etwa in dem gleichen
Temperaturintervall stark ab, so daß die Hysteresisverluste ebenso wie die Wirbelstromverluste
beim Arbeiten bei einer Temperatur von etwa 25o° wesentlich verringert werden. In
demselben Temperaturintervall erfährt aber auch die Maximalperineabilität eine wesentliche
Steigerung, wie aus der Forinel (36) auf S. 170 des Handbuches hervorgeht.
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Zur Durchführung des Erfindungsgedankens genügt es in vielen Fällen,
den Kern thermisch zu isolieren, so daß er sich während des Betriebes infolge der
Wirbelströme und Hysteresis auf die gewünschte Temperatur aufheizt. Man hat bereits
bei Transformatoren den Kern von den Wicklungen thermisch isoliert, wenn man, um
die Kupferverluste möglichst gering zu halten, die Windungen durch besondere Mittel
stark gekühlt hat, um zu vermeiden, daß gleichzeitig auch der Kern dieser starken
Kühlung unterworfen wird. Man hat jedoch dabei auch die Temperatur des Kernes nur
in den üblichen Grenzen gehalten, die nach oben hin bei etwa.go° C liegen.
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Zuweilen ist es auch nötig, außer der Isolierung zwischen Kern und
Wicklung eine besondere Vorrichtung zum Heizen des Kernes anzubringen. Diese kann
darin bestehen, daß eine zusätzliche Heizspule angebracht wird, durch die entweder
nur zum Anheizen oder auch während des Betriebes ein besonderer Strom geschickt
wird. Auch kann man zum Anheizen durch die bereits in der Apparatur vorhandenen
oder durch die zusätzlichen Windungen höher frequente Ströme schicken.
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Der Kern kann gegen die stromführenden Teile wärmeisoliert sein, so
daß er weder durch Leitung noch Strahlung wesentliche Wärmemengen an die Wicklungen
abgibt. Zur Wärmeisolation bedient man sich z. B. der aus der Induktionsöfentechnik
bekannten Hilfsmittel. Die Windungen bleiben dann auf so niedriger Temperatur, daß
zu ihrer elektrischen Isolierung die normalen Isoliermittel ausreichen.
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Läßt man dagegen die Wärmeisolierung fort, so -werden die stromführenden
Teile gleichzeitig stark beheizt, so daß es nicht möglich ist, die üblichen Isoliermittel
zu verwenden. Es müssen vielmehr zur Isolierung solche Materialien benutzt werden,
die auch bei höheren Temperaturen ihre Fähigkeit zu isolieren nicht verlieren. Besonders
geeignet sind bekanntlich für diesen Zweck anorganische Isoliermittel, wie z. B.
Aluminiumoxyd.
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Man kann auch zur Isolierung die Stromleiter mit einer Glasur versehen,
auf die ein dünner Metallmantel aus Aluminium oder Blei gepreßt wird, der ein Abspringen
der Glasur verhindern soll. Der Widerstand dieses Metalls wird zweckmäßig groß gegen
den des Leiters gemacht, um Induktionsströme im Mantel zu unterdrücken. Eine andere
bereits bekannte vorteilhafte Isolierung kann durch Verwendung von faserförmigem
mineralischem Material hergestellt werden, indem die Leiter mit dem Isoliermittel
umsponnen werden oder indem das feinfaserige Isoliermittel auf die mit einer klebenden
Substanz bestrichenen Leiterteile aufgestäubt wird.
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In allen Fällen ist es vorteilhaft, von dein an sich für Transformatoren
bekannten Mittel Gebrauch zumachen, die Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen
mit keramischem Material auszugießen und dieses Material bei hoher Temperatur zu
brennen oder zu sintern. Dadurch werden Luftströme vermieden, in denen sich eine
Ionisierung bemerkbar machen könnte.
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Infolge -der hohen Temperatur, der der Kern während des Betriebes
ausgesetzt ist, besteht die Gefahr, daß er sich oxydiert. Um dies zu vermeiden,
kann er luftdicht abgeschlossen oder in einem mit indifferentem Gas, z. B. Stickstoff,
gefüllten Behälter eingebaut werden.
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Die Anordnungen gemäß der Erfindungen lassen sich für die verschiedensten
elektrischen Einrichtungen verwenden. Besonders gut geeignet sind sie für Transformatoren,
Drosselspulen, Induktionsöfen u. dgl. Als Material für die Kerne kommen außer Eisen
auch Nickel und Kobalt und Legierungen dieser Metalle untereinander und mit gewissen
anderen Metallen in Frage, die die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials
verbessern.