DE847622C

DE847622C - Elektrisches Geraet, insbesondere Transformator

Info

Publication number: DE847622C
Application number: DEW3341A
Authority: DE
Inventors: John Howard Bramble; James Garmon Ford
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1946-07-09
Filing date: 1950-08-22
Publication date: 1952-08-25
Also published as: US2488391A

Description

Elektrisches Gerät, insbesondere Transformator Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Transformatoren, speziell auf den Aufbau des Magnetkernes.
Die Transformatorenbleche wurden in den letzten Jahren verbessert. Auf Grund des Herstellungsprozesses sind die magnetischen Eigenschaften vorzugsweise in der Walzrichtung besser als in den anderen Richtungen und vor allem besser als die magnetischen Eigenschaften der früher verwendeten handelsüblichen Siliciumstähle. Solche verbesserte magnetische Stähle zeichnen sich besonders durch geringen Wattverlust und hohe Permeabilität in der Richtung der Kornorientierung des Stahles aus, d. h. in der Richtung, in welcher das Band bei der Herstellung ausgewalzt worden ist. Um die besseren magnetischen Eigenschaften der neueren Stähle auszunutzen, muß das Blech so verwendet werden, daß der magnetische Induktionsfluß in der Walzrichtung verläuft, wodurch eine viel größere Felddichte als früher erzielt wird. Mit dem Aufkommen wirkungsvollerer magnetischer Stähle, welche die Konstruktion eines Kernes von höherer magnetischer Induktion als bisher erlauben, kann der Stahlbedarf des Kernes in bezug auf eine gegebene Transformatorenleistung bedeutend reduziert werden.
Der Vorteil der Eigenschaften dieser neueren hochmagnetischen Stähle wird besonders bei einer neuen Form des Magnetaufbaues ausgenutzt, indem ein oder mehrere Ringe aus magnetischem Stahlband schichtweise in den gewünschten Dimensionen über einen Stahlkern als Form gewickelt wird. Die so gebildeten Kernringe bilden üblicherweise ein im wesentlichen viereckiges Fenster oder ähnlich gebildete Öffnungen. Die Form- oder Wickelkerne entsprechen dabei annähernd der gewünschten Größe und Form des Fensters im fertigen Kernring, wie es durch die flachen Seiten der inneren Windung des Stahl= banden gebildet ist. Derartig hergestellte Kernringe werden dann ausgeglüht, wobei in den. meisten Fällen der Formkern, um den sie gewickelt sind, darin verbleibt; durch das Ausglühen werden die Spannungen, wie sie im Stahlband durch das Aufwickeln entstanden sind, ausgeglichen und damit die, vollen- magnetischen Eigenschaften entwickelt. Die Ringe werden: dabei Seite an Seite in Reihen aufgestellt und mit entsprechenden Gewichten, belastet, um die viereckige Form der Ringe während des Ausglühens zu bewahren. Die gewickelten und ausgeglühten Kernringe werden dann im Vakuum mit einem plastischen Bindemittel, welches in die Zwischenräume der aufeinanderliegenden Wicklungen fließt, imprägniert und eingebrannt, so daß sich erhärtende Bindemittel mit den Bandstahlwicklungen ein verfestigtes Ganzes bilden. Als Klebemittel können thermoplastische Stoffe, wie Vinylitalvar mit geringen Zusätzen von Phenolharzen oder hydroxyliertem Vinylharz dienen.
Diese Kernringe werden im weiteren Arbeitsgang in zwei U-förmige Teile auseinandergeschnitten, um nach dem Einsetzen der Induktionsspulen wieder vereinigt zu werden. Um eine glatte Haftfläche zu erzielen, werden hierzu@die Schnittflächen des Kernes geschliffen. Außerdem wird zur .vollständigen Entfernung des durch das Auseinanderschneiden und Schleifen entstandenen Grates die Enden geätzt, uin jedwelchen Kurzschluß zu vermeiden.
Bei der Verwendung dieser Art von Trafokecnen, besonders bei größer dimensionierten, entstand nun folgendes Problem: Es ist bekannt, daß eine Stoßfläche in einem von einem 5o-Hz-Wechselstrom erregten Magnetfeld eine starke Vibration von ioo Hz hervorruft, wodurch' ein hoher Ton verursacht wird, wenn die zwei aneinanderstoßenden Kernteile nicht fest verklammert sind. Im einfachen Fall genügt es, auf die Stoßfläche einen Druck auszuüben, welcher größer ist, als die magnetischen Anziehungskräfte zwischen den Kernstücken, so daß die Teile des Kernes an der Stoßfläche immer noch von einer überschüssigen Kraft zusammengehalten werden. Es ist klar, daß die Schenkel des Kernes, welche in der Trennfläche aufeinanderstoßen, genügend starr sein müssen, um jegliche transversale Bewegung oder Deformation der Kernschenkel infolge der Schwingungen der einzelnen Lamellen auszuschließen.
Erfahrungsgemäß hat sich bei den kleineren Kernen die Verwendung von thermoplastischen Bindemitteln zur Imprägnierung der Ringwicklungen, wie z. B. das vorher erwähnte Vinylitalvar mit geringen' Zusätzen von Phenolharz oder hydroxyliertem Vinvlharz als zufriedenstellend erwiesen. Jedoch ist dieses Klebemittel bei der Arbeitstemperatur in größeren Kernkonstruktionen nicht fest genug, um die erforderlichen Bindekräfte für den Zusammenhalt der Stoßflächen aufzubringen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also in der Konstruktion eines Magnetkernes mit den oben beschriebenen Haupteigenschaften, bei welcfier das Geräusch ausgeschaltet oder wenigstens auf ein unbedeutendes Maß reduziert ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Kon-

struktion eines Magnetkernes mit den oben beschrie-

benen Eigenschaften; 'welcher im "hraiisformdtorenöl

bis zu ioo'C stabil ist, d. l1. in welchem die Trafokern-

schenkel sich in der Stoßfläche nicht bewegen und

so de>< volle ßWif#4chenkontakt der Haftflächen

in der Stoßverbindung gewahrt bleibt.

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, ins-

besondere einen Transformator mit einem gewickelten

Ring als Magnetkern, der aus zwei U-förmigen Teilen,

die in ihrer Basis aneinanderstoßen, zusammengesetzt

ist, wobei zum wenigstens zwei der gegenüberliegenden

Seiten des Kernringes leicht nach auswärts gebogen

sind.

Die Erfindung wird in nachfolgender Beschreibung

einer bevorzugten Ausführungsart an Hand der

Zeichnungen 'erläutert.

Fig. Z ist eine Aufrißansicht des üblichen Zu-

sammenbaues von Magnetkern und Induktionsspule:

Fig. 2 ist eine Draufsicht, des in Fig. i vorge-

stellten Zusammenbaues;

Fig. 3, ist eine perspektivische Ansicht des Mag-

neten in der in Fig. i und Fig. 2 gezeigten Ringtype;

Fig. 4 ist .wieder eine Aufrißansicht eines solchen

Magnetkernringes, und demonstriert eine Art von

Deformation, der der Ring unterworfen ist;

Fig. 5 ist eine Aufrißansicht desselben Kernringes,

welche eine andere Art von Deformation, der der

Ring unterworfen ist, demonstriert-;

Fig. 6 ist eine Aufrißansicht eines erfindungsgemäß

konstruierten 1lägiletkcrnrin@es;

'Fig. ,^ ist eine Aufrißansicht eines herkömmlichen

Magnetkernringes, wie in Fig. 3, welche die Wirkung

der auftretenden Kräfte darstellt, und

Fig.8 ist eine Aufrißansicht des Aufbaues eines

Dreiphasenmagnetkri#nes gemäß der-Erfindung.

In Fig. i und 2 ist der übliche Aufbau oder Zu-

sammenbau von Magnetkern und Wicklung eines

Trafo gezeigt, wobei die Spüle i, welche eine Mehrzahl

von primären und sekundären .Windungen in der

bekannten Weise enthält, innerhalb zweier Magnet-

kernringe 2 und 3 angeordnet ist, wobei jeder Ring

aus einem oberen Teil 4 und einem unteren Teil 5

besteht. Die Magnetkernringe werden aus einem

Streifen eines Nlagnetstahlbandes gewickelt, aus-

geglüht und im Vakuum mit einem Bindemittel

imprägniert; entlang der Linie 6 und j wird darin

der Ring in eine obere und untere U-förmige Hälfte 4

und 5 geteilt, welche in geeigneter Weise später

wieder nach Einlegen der \Vicklung vereinigt werden.

Nachdem die Schnittflächen der oberen und unteren

Ringteile 4 und 5 glatt gearbeitet und geätzt worden

sind, wird ein passendes Harz auf die Schnittflächen.

welche die Stoßflächen bei 6 und 7 bilden, aufge-

bracht, wenn die Teile nach dem Einsatz der "'icklung

wieder vereinigt werden. 1?in Band- oder Klammer-

streifen 8 ist um jeden der Kernringe herumgelegt

und mit Hilfe eines Werkzeuges, welches die gegen-

überliegenden Enden des Streifens durch eine Kuppel-

schnalle 9 steckt, gespannt. Während das Band oder

der Gürtel 8 unter einer bestimmten Spannung ge-

halten'ist, wird die Kuppelschnalle d zusammen mit

den vereinigten Teilen der äußeren Enden des Gürtel-

bandes durch Kerben fest verkuppelt. Das Ganze

wird dann in einen Ofen gesetzt zum Trocknen.

Sobald es heiß ist, fließt das zwischen den Stoß-

flächen aufgebrachte Harz zu einem bestimmten

Maße aus, wodurch sich der Druck in der Stoßfläche

etwas vermindert. Das Gürtelband 8 ist beim Auf-

bringen genügend stark gespannt und ist genügend

elastisch, um die ge@@ün,dite Spannung an den

@'erbin<lung"tcllen ff und j, selbst wenn das Harz

während des Erhitzens etwas ausfließt, aufrecht-

zuerhalten. Spannungen in der Größenordnung von

175o kg,cn1= werden in dem Gürtelband aufrecht-

erhalten. I?s hat sich erwiesen, claß Kräfte dieser

Gri>ßenoirdnung genügen, die _lnderung, wie sie durch

den Ausflüß des Harzes in den Verbindungsflächen f>

und 7 verursacht wird, auszugleichen und einen

genügenden Druck aufrechtzuerhalten. Ein Harzfilm

in der Größenoirdritin, von o,oo6 min Dicke genügt

als Isolierung und als Schutz der bearbeiteten Kanten

der Kernteile 4 und 5 ,gegen Säure öder Feuchtigkeit

iii der thu-lektrischen @lü"igkcit, in welcher der

fertige Trafo arbeitet.

Fig. _; ist eine perspektivische Ansicht des eigent-

lichen Magnetkernes der beschriebenen Tvpe, be-

stehend aus den oberen und unteren Kernteilen 4

und 5. Uni unter Druck eine volle Berührung der

Stoßflächen () und ; der Kernteile 4 und 5 zu erzielen,

ist es notwendig, daß die Kernschenkel ii und 12

,einigend starr sind, um jugliche seitliche Bewegung

()der Deformation auszuschließen.

1?s ist notwendig, dau der Magnetkern im @rafoiiil

unter allen Arbeitsbedingungen bis zu ioo C absolut

stabil bleibt. Wenn sich die Schenkel irgendwie

bewegen kiinnen, wird der volle Kontakt in der

Stoßfläche ver;indert, «°as sich in der Praxis dadurch

anzeigt, claß der Jlagnetkern (lamm unzulässig brtlnnlit.

Eine Art von Deformation, wie sie bei diesen

Tvl)en mit thermoiplastisclicn Bindemitteln eintreten

kann, ist iii Fig. 4 dargestellt. Hier ist das Ausmaß

der Verzerrung, um es leichter erkenntlich zu machen,

etwas übertrieben. Diese Art von Deformation kenn-

zeichnet sich dadurch, elaß die inneren Kanten der

Ringteile in der Nähe der Rillgiiffnullg bei 14 und 15

in Keimtakt bleiben, w;ihrend der äußere Teil der

Stoßfl;iche h und ; sich auftrennt, ;o claß sie ,ich

bei lt> und 17 nach außen versetzt. Es entsteht

auf diese «"eise eine geringe (5lfnung zwischen den

Kontaktflächen, welche eigentlich so aufeinaiider-

liegen stillten, claß der Steiß über die ganze Oberfläche

hin in vollem Kontakt ist.

In jüngster Zeit sind neue Tvpen von Kernbinde-

mitteln niit therrnoistabilen Eigenschaften entwickelt

worden. Mit ihrer Hilfe wird eine solche Kernkon-

strnktion lei>tungsf<ilii,cr als bei der Verwendung

von tliernioil)ht;ti,clieii Mitteln, cla der Magnetkern

sich nicht mehr nach der in Fig.4 gezeigten Weise

iri t)1, unter Arbeitsbedingungen bis zu loo C,

deformiert. Als ein solche, tliernioistabiles Bindemittel

kann ein 1'hen@>1-Foirmal<lehvd- oder Melamin-Forln-

a@dc@vd-Harz dienen. Jedoch löst die \-cr«-endung eines

solchen Bindemittels das Problem noch nicht für

sich allein, da selbst mit <lein wä rinebestiindigen

Bindemittel die Kernktin,tritktion unstabil werden

kann. F.s stellte sich heraus, claß nachfolgendes

eintritt, wenn der Magnetkern einem ständigen Tenl-

peraturwechsel zwischen 25 und ioo°C, was bei der

gewöhnlichen Beanspruchung des Trafos der Fall

ist, unterworfen ist: Wenn die Stoßflächen genau

passend geschliffen sind, bleibt der zusammengebaute

Magnetkern zunächst ruhig, wenn er auf ieio C

erhitrt wird, brummt aber beim-iiaclifolgcriden Kühlen

unznl;is,#ig laut. Untersuchungen ergaben, daß beim

1'_rhitzen und nachfolgendem Kühlen die Kernteile

eine «,ic in Fig. 5 gezeigte Form annehmen.

In Fig. 5 sind die äußeren Kanten des Kernringes

bei 18 und ig in Kontakt, während die Oberflächen

der Kernteile 4 und 5, die anschließend die Stoß-

flächen bilden, gegen das Ringinnere nach 22 und 23

divergieren. Die Oberflächen der gegenüberliegenden

Seiten der Stoßfläche bilden keine geschlossene Haft-

fläche mehr, die Lamellenenden sind daher relativ

frei und vibrieren unter dem Einfluß des magnetischen

Wechselfeldes und verursachen ein Geräusch, welches

nicht entstehen könnte, wenn die Stoßflächen als

geschlossene Haftfläche funktionieren würden.

Es ist anztmehrnen, claß bei Verwendung des

li;irteren, w;irmestabilen Bindemittels die Kern-

schenkel 24 und 25 fest sind, daß jedoch durch das

Erhitzen und Abkühlen eine unterschiedliche Kon-

traktion de, Bindemittels und der Eisenlamellen

,in den h:cktn der Joche, welche in der Zeichnung

durch die Zittern 2i), 2-, 2und 2g gekennzeichnet

sind, eintritt.

Viertlurch «-erden die Wicklung"clieiikel 24 und 2j

im Bezirk der Stoßfläche sich einwärts drehen,

wodurch die gegenüberliegenden hIächen des Stoßes

leicht divergieren. Infolge dieser Divergenz stehen

die gegenüberliegenden Flächen des Steißes nicht

mehr unter dem gleichen Druck und ein tönender

Kern ist die natürliche Folge. Derartige Typen

von NI<tgnetkeriieii sind ruhig beim Erhitzen und

schwingen beim Abkühlen. Die Größe der Bewegung

ist sehr gering. Die Öffnung zwischen den Grenz-

fläcIIen bei 22 und 23 ist ungefähr in der Größen-

ordnung von o,oi bis 0,02 mm. Diese Verhältnisse

entstehen als Atizwü-kung eines aufeinandcrfolgenden

Temperaturwechsel, ständig; eine solche Kernkon-

struktion ist daher unstabil und unzureichend.

Fig.6 zeit die erfindung,,gemäße Konstruktion

eifies Kernringes. Sie unterscheidet sich von der

herköninilichen Art, wie sie in Fig. 1, 2 und 3 dar-

gestellt, darin, daß die zentrale, fensterartige Ring-

öffnung 31 ausgebuchtet ist, d. h. die inneren Ober-

il:icliCil 32 und gleicherweise die äußeren 33 der

Wicklungsschenkel sind voneinander etwa, wegge-

bogen, so da(3) die Schenkelteile 34 bogenförmig sind.

Wenn daher die zwei U-förmigen Teile 36 und 37,

von denen jedes aus zwei Schenkelteilen 34 und

einem Jochteil 38 besteht, in der Stoßfläche 41 ulld 42

zusammengesetzt durch ein Stahlband 43 und eine

Iiuppel,chnalle 44 in ähnlicher Weise wie der Gürtel 8

und die Kuppelschnalle g in Fig. i bis 5 zusammen-

gehalten werden, so werden die aufgewendeten Druck-

kräfte in der Stoßfläche nicht mehr diametral, sondern

etwa, abgewinkelt aufeinander wirken.

Der llagnetkernring hat durch den Wicklungs-

eine geringe Krümmung, wie die innere

und äußere Begrenzungsfläche 32 und 33 anzeigen. Diese Ausbuchtung ist in der zentralen Ringöffnung durch den Abstand X gegeben. Im Verein mit einem thermostabilen Bindemittel wird ein solcher Ring gespannt unter allen Arbeitsbedingungen stabil sein, während der herkömmlich gebaute Kern mit geraden Schenkeln aus den angeführten Gründen und dem nachfolgenden Vergleich der Fig.6 und 7 unstabil sein wird.

Fig. 7 zeigt das Kräftediagramm, wie es in der Stoßfläche nach Fig. i bis 5 wirksam ist. Unter der Spannung des Gürtels 8 ergeben sich gleiche und diametral entgegengesetzte Kräfte F und F' an den gegenüberliegenden Flächen des Stoßes 6 und Wenn daher eine Bewegung, wie sie oben beschrieben worden ist, in den Ecken oder in den Jochteilen des Kernringes während des Temperaturwechsels eintritt, so wird daraus eine unstabile Gelenkverbindung, die sich in der durch den Doppelpfeil M angezeigten Richtung bewegen kann. Praktisch bedeutet dies eine Öffnung der Stoßverbindung oder eine Divergenz der Haftflächen, wie es durch die punktierte Linie bei einem Schenkel angezeigt ist. Da die Kräfte direkt parallel der Richtung des Wicklungsschenkels verlaufen, existiert kein Kontaktbereich, um diese Bewegung aufzuhalten. Der Endeffekt ist ein brummender Kern.
Diese in bezug auf Fig. 7 besprochenen unstabilen Verhältnisse werden beseitigt, wenn man die Wicklungsschenkel wie in Fig. 6 nach auswärts krümmt, da dann die gegenüberliegenden Kräfte E und E' entlang der Wicklungsschenkel der Teile 36 und 37 nicht mehr diametral aufeinander wirken, sondern eine kleine Kraft E" ergeben. Diese resultierende Kraft ist nach außen gerichtet, wirkt also jeder anderen Kraft, welche versucht, die Schenkel einwärts zu bewegen, entgegen, wodurch jegliche Einwärtsbewegung der Wicklungsschenkel in den Stoßflächen 41 und 42 verhindert ist. Einer Bewegung der Schenkel nach außen ist durch das Stahlband 43, welches die zwei Kernteile 36 und 37 umgibt, vorgebeugt. Der Endeffekt ist eine selbst unter wechselnder Temperaturbeanspruchung stabile Kernkonstruktion, da sich kein unstabiles Gelenk auswirken kann. Die Flächen der Kernenden bleiben über ihre ganze Ausdehnung hin unter allen Arbeitsbedingungen in gutem Kontakt, und der Magnetkern ist ruhig. Die besten Erfolge werden erzielt, wenn die Trafoschenkel genau symmetrisch zu den Jochteilen 38 geteilt werden. Nach praktischer Erfahrung beträgt die Ausbuchtung X am besten 2°;!o der Länge der Wicklungsschenkel bzw. der gekrümmten Seite. Fig.8 stellt einen erfindungsgemäß konstruierten Dreiphasenkern dar. In dem in Fig.8 gezeigten Kern sind drei .getrennte Kernringe 51, 52, 53 vorgesehen, wobei die zwei schmaleren Ringe innerhalb des größeren Ringes 53 liegen. Die zwei inneren Ringe 51 und 52 sind erfindungsgemäß entsprechend dem Ring in Fig. 6 geformt, der Außenring 53 folgt in seiner äußeren Begrenzung der Krümmung der Ringe 51 und 52. Um einen im wesentlichen konstanten Druck auf die Stoßflächen 56 auszuüben, ist ein Stahlband 54 über die drei Ringe gespannt, das an den Enden von einer Kuppelungsschnalle 55 zusammengehalten wird. Die Gegenkräfte, welche durch das Stahlband 54 in den Stoßflächen 56 zur Wirkung kommen, entsprechen in ihren Richtungen den Pfeilen E und E' in Fig. 6, so daß gleicherweise eine horizontale Komponente der Kräfte an der Stoßfläche ringauswärts wirkt, wodurch eine stabile Kernkonstruktion gewährleistet ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrisches Gerät, insbesondere Transformator mit einem gewickelten Ring als Magnetkern, bestehend aus zwei in ihrer Basis aneinanderstoßenden U-förmigen Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß zum wenigsten zwei der gegenüberliegenden Seiten (34, Fig.6) des Kernringes leicht nach auswärts gekrümmt sind.
2. Gerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum wenigsten diejenigen Seiten (34, Fig.6) des Kernringes nach auswärts gekrümmt sind, welche die Stoßverbindung (41, 42) der zwei Kernteile enthalten.
3. Gerät nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßig eingeebnete Basis (41, 42, Fig.6) der U-förmigen Teile die Stoßverbindung bildet.
4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (X in Fig. 6) ungefähr 2°/a der Länge der gekrümmten Seiten beträgt.
5. Gerät nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Kernring im wesentlichen viereckig geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Langseiten (34, Fig.6) des Vierecks nach außen gekrümmt sind, und daß sie in der Mitte zwischen den aus den Kurzseiten des Vierecks gebildeten Jochteilen (36, 38, Fig.6) auseinandergeschnitten sind.
6. Gerät nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des Kernringes durch dazwischen befindliche dünne Schichten von vorzugsweise thermostabilein Bindemittel miteinander verfestigt sind.
7. Gerät nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein federndes Stahlband (43, Fig.6) unter Spannung um den Kernring gelegt ist, um einen konstanten Druck zwischen den aneinanderliegenden Flächen des Stoßes (41, 42, Fig.6) aufrechtzuerhalten. B. Gerät nach einem der beliebigen der vorhergehenden Ansprüche mit einem Dreiphasenkern, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kleinere Kernringe (51, 52, Fig.8) innerhalb eines Außenringes (53) angeordnet sind und die Krümmung des Außenringes der äußeren Krümmung der inneren Ringe anliegt.