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Magnetischer Kern für Kleintransformatoren Die Erfindung bezieht sich
auf einen magnetischen Kern für Kleintransformatoren und Spulen, der insbesondere
an Stelle von Übertragerkernen in der Nachrichtentechnik Verwendung finden kann.
Bei den Kleintransformatoren «-erden oft Mantelkerne verwendet, die aus E- und I-förmigen
Kernblechen oder aus sogenannten M-Kernblechen, das sind außen geschlossene Kernbleche
mit einer abbiegbaren Mitteilzunge, zusammengesetzt sind. Für die Transformatoren
der elektrischen Nachrichtentechnik sind die Blechschnitte vereinheitlicht. Es treten
nun aber oft Aufgaben an den Gerätebauer heran, für die sich die vereinheitlichten
Kernbleche nicht verwenden lassen. So ist es z. B. in der Steuerungstechnik in zunehmendem
Maße notwendig, Stromtore und ähnliche Gasentladungsstrecken mit hohen Zündspannungen
zu steuern. Leistungsmäßig würden vereinheitlichte kleine Übertragerkerne vollauf
genügen. Aber zur Isolierung der Wicklungen ist der Wickelraum viel zu klein. Bei
den hohen Ausgangsspannungen treten an den dünnen Drähten der Ausgangswicklungen
sehr hohe elektrische Feldstärken auf, die in den Hohlräumen der Isolierung zu Glimmentladungen
und dadurch im Laufe der Zeit zu einer Zerstörung der Isolierung führen. Auch bei
der besten Evakuierung und Füllung mit Öl werden die hohen Feldstärken nicht sicher
ausgehalten. Auch elektrische Schirme zur Formung des elektrischen Feldes kann man
aus Raummangel nicht unterbringen.*Man kommt dann
zu der Lösung,
daß man wegen des Wickelraumes sehr große Übertragerkerne nimmt und daß man den
ganzen Transformator in einen Ölbehälter setzt. Man kann mitunter auch den Transformator
mit einer festen Imprägniermasse füllen, muß dann aber durch sorgfältig gebaute
elektrische Schirme dafür sorgen, daß an keiner Stelle unzulässig hohe elektrische
Feldstärken auftreten. Die Isolierung mit Öl ist sicherer, aber mit zunehmender
Größe des Transformators wird es schwierig, den Behälter öldicht zu bauen. Dabei
sind oft harte Betriebsbedingungen zu erfüllen. So soll der Transformator beim Transport
starken Erschütterungen gewachsen sein, und er soll bei verschiedenem Klima, bei
Hitze und Kälte und bei- feuchter Luft ohne Betriebsstörungen arbeiten. Überschreitet
der Transformator eine gewisse Größe, dann ist es nicht mehr möglich, die Ausdehnung
des Öls bei der Erwärmung durch elastisch nachgebende gewellte Wände aufzunehmen.
Man muß dann über dem Ölspiegel genügend Raum für die Ölausdehnung vorsehen, und
es muß an einer möglichst hoch gelegenen Stelle eine kleine Öffnung vorgesehen sein,
durch die die Luft ein- und ausströmen kann. Beim Transport kommt es dann vor, daß
Öl durch die Luftöffnung ausgegossen und nicht mehr ergänzt wird. Auch nimmt das
b1 im Laufe der Zeit aus der Luft Feuchtigkeit auf, wodurch seine Durchschlagsfestigkeit
herabgesetzt wird. Das gelegentliche Erneuern und Trocknen des Öls ist aber bei
der Wartung der Geräte recht mühsam. Auch aus diesem Grunde liegt großes Interesse
vor, die Abmessungen des Transformators so klein zu halten, daß man ein völlig geschlossenes
Gehäuse verwenden kann. Wenn irgend möglich, soll der Transformator nur mit fester
Masse gefüllt werden. Die Kleinheit des Gehäuses wird auch deshalb angestrebt, weil
die anderen Bauelemente der Steuerung fast alle viel kleiner sind. Ähnliche Hochspannungsprobleme
treten in der Impulstechnik auf, wo z. B. ein Stoßkondensator oftmals in der Sekunde
nahezu im Kurzschluß entladen und in den Entladungspausen von einer Gleichspannungsquelle
hoher Spannung über einen Vorwiderstand wieder aufgeladen wird. Es ist bekanntlich
vorteilhaft, den Vorwiderstand durch eine Drosselspule zu ersetzen, weil die Verluste
in der Drosselspule niedriger sind als in dem Vorwiderstand. Außerdem kann man bei
geeigneter Größe der Drosselspule und des Kondensators nahezu eine Verdopplung der
Kondensatorspannung gegenüber der Gleichspannungsquelle erreichen. Da es sich hier
um hohe Spannungen, z. B. von io bis 2o kV, handelt und da die zu übertragende Leistung
von Übertragerkernen mittlerer Größe übernommen werden kann, tritt auch hier die
Isolierfrage wegen des kleinen Wickelraumes in den Vordergrund. Ferner tauchen derartige
Probleme bei den Ausgangstransformatoren der Impulsgeräte auf.
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Auch in der Nachrichtentechnik selbst muß oft nur wegen der Größe
des Wickelraumes ein großer Übertrager genommen werden. Dies ist z. B. der Fall,
wenn auf einem Kern mehrere Wicklungen liegen oder wenn man wie bei Vorübertragern
die Wicklungskapazität durch Mehrkammerwicklung und durch genügende Abstände im
Wickelraum klein halten will. In dem letzteren Falle ist es günstig, wenn der Kernquerschnitt
und die mittlere Windungslänge nicht zu groß sind. Es besteht also ein Bedürfnis
nach Übertragern, die bei etwa gleichen Eisenquerschnitten wie in der Einheitsreihe
einen vergrößerten Wicklungsquerschnitt aufweisen.
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Bei den M-Kernblechen ist es oft störend, daß nur ein bis zwei verschiedene
Luftspalte zur Verfügung stehen, so daß man beim Bau von Blechkernspulen oft sehr
zweit vom günstigen Luftspalt abweicht. Man hat allerdings bei den E- und 1-Kernblechen
die Möglichkeit, den Luftspalt durch entsprechende Zwischenlagen für verschiedene
Werte einzustellen, aber bei der Schichtung mit Stoßfuge würde man gern zur weiteren
Herabsetzung des magnetischen Übergangswiderstandes einen größeren Luftspaltquerschnitt
vorsehen.
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Auch mit Rücksicht auf die neueren magnetischen Werkstoffe sind die
übertragerkerne für viele Zwecke verbesserungsbedürftig. Die Blechwerkstoffe mit
besonders günstigen magnetischen Eigenschaften werden vorwiegend in Form von Bändern
gewalzt. Stanzt man aus den Bändern Ü'bertragerkernbleche, so ist das Sortieren,
Glühen, Isolieren, Lagern und Stopfen der Kernbleche mit viel Arbeit verbunden,
vor allem wenn es sich um dünne Bleche handelt, weil man dann für einen Kern vorgeschriebener
Höhe sehr viele Bleche zu handhaben hat. Es wäre deshalb vorteilhaft, das gewalzte
Band auf der Schneidmaschine für eine bestimmte Breite zu schneiden und zu Bandkernen
aufzuwickeln. Solche Bandkerne sind bereits bekannt. Es ist auch schon vorgeschlagen
worden, Bandkerne auf einen rechteckigen Dorn zu, wickeln, die Zwischenräume mit
einer aushärtbaren Isoliermasse zu füllen und die Bandkerne dann in zwei gleich
große U-förmige Kernstücke zu teilen, damit man die Spulenkörper mit den Wicklungen
in die Kerne einführen kann. Bei diesem Aufbau kann man zwischen die gegeneinanderstoßenden
U-Stücke isolierende Platten einlegen, deren Dicke den Luftspalt festlegt. Solche
Kerne mit Stoßfuge statt eines Luftspaltes wurden für Bandwerkstoffe mit magnetischer
Vorzugsrichtung vorgeschlagen. Nachteilig ist das schwierige Trennen der Bandkerne.
Die Isolierung zwischen den einzelnen Bandkernwindungen der Bandkerne darf nach
dem Trennen nicht metallisch überbrückt sein, weil sonst zusätzliche Wirbelstromverluste
entstehen würden. Ferner ist der Querschnitt an der Stelle der Stoßfuge nicht größer
als im Bandkern selbst. Es wäre aber sehr erwünscht, den magnetischen Widerstand
an der Stoßfuge durch Vergrößerung des übergangsquerschnittes zu verkleinern. Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Mängel in einem neuartigen
Kernaufbau zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung steckt bei einem magnetischen Kern für Kleintransformatoren
und Spulen in dem Spulenkörper ein langgestreckter magnetischer
Kern,
der aus Band gebildet ist oder aus einem Bündel Blechstreifen besteht und der beiderseitig
genügend weit aus dem Spulenkörper herausragt, so daß die herausstehenden Enden
durch seitliches Auflegen von magnetischen Bandkernen magnetisch verbunden werden
können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel in zwei Ansichten bzw.
zum Teil im Schnitt dargestellt.
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Die Fig. i und 2 zeigen nach der Erfindung einen Kernaufbau, der sich
besonders für ]<leine Hochspannungstransformatoren eignet. Fig. i stellt einen
Schnitt aus Fig. 2 dar. In dem runden Spulenkörper i (Fig. 2 und i) stecken zwei
langgestreckte Bandkerne 3 und .4, die aufeinandergelegt etwa einen quadratischen
Querschnitt erfüllen. Die Bandwindungen des Kerns 3 sind in Fig. i für einige Windungen
angedeutet. Die langgestreckten Bandkerne 3 und -. stellen oben und unten am Spulenkörper
i hervor. Auf den hervorstehenden Flächen 5 und 6 liegen als magnetische Rückschlüsse
zwei Bandkerne 7 und 8 auf, deren Bandwindungen an der Stelle 9 in Fig. 1 angedeutet
sind. Die Bandkerne 7 und 8 können je nach den Anforderungen an die Spannungsfestigkeit
der `Wicklungen (besonders nach Erde) auf mehr oder weniger großen Wickeldornen
hergestellt werden. So ist in dem gezeichneten Beispiel das Wickelfenster 1o so
groß gewählt, daß der Spulenkörper i reichlich Wickelraum und große Abstände nach
den Kernen besitzt. Ferner ist für die Gesamtgröße des Transformators der Querschnitt
der beiden Bandkerne 3 und 4 verhältnismäßig klein gehalten. Nimmt man mit Rücksicht
auf die notwendige Größe des Wickelraumes einen genormten Übertragerkern, so müßte
auch der innere Kernquerschnitt entsprechend groß werden. Nach der erfindungsgemäßen
Anordnung macht man den inneren Kernquerschnitt 3 und 4. nicht größer als unbedingt
erforderlich. Man spart dabei Wicklungskupfer und Isoliermaterial.
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Beim Wickeln der langgestreckten Bandkerne 3 und 4 nimmt man z. B.
einen flachen Dorn, schließt die erste Windung mittels Punktschweißung, wickelt
den Bandkern unter gleichzeitigem Anhämmern oder Anpressen möglichst dicht und verschweißt
die äußerste Bandwindung z. B. in dem Punkt i 1. Darauf zieht man den Bandkern vom
Dorn ab und füllt den inneren Hohlraum mit einigen Blechstreifen. Man kann an Stelle
der beiden Bandkerne 3 und 4 auch nur ein Bündel Blechstreifen verwenden, oder man
ersetzt die Bandkerne 3 und 4 durch einen Bandkern mit doppelt breitem Band. Langgestreckte
Bandkerne haben gegenüber einem Bündel Blechstreifen einen magnetischen Vorteil.
An den Stellen 12 und 13 tritt bekanntlich ein Teil des magnetischen Flusses in
den äußeren Luftraum, vor allem, wenn die Kerne hoch gesättigt sind, d. h. die Permeabilität
bereits unten auf dem abfallenden Ast der Permeabilitätskurve liegt und die magnetischen
Spannungen zwischen den Punkten 12 und 13 groß sind. Dieser Streufluß muß beim langgestreckten
Bandkern größtenteils die Bandflächen senkrecht durchsetzen, wobei Wirbelströme
entstehen, die den Durchtritt des Streuflusses erschweren. Man kann an den Stellen
12 und 13 eine sehr starke Schirmwirkung erzielen, wenn man dicke Kurzschlußringe
z. B. aus Kupfer oder Aluminium auflegt, deren Öffnung etwa gleich dem Querschnitt
der Bandkerne 3 und 4 ist. Gegenüber den bekannten Kurzschlußringen, die man um
den ganzen Transformator legt, haben die beschriebenen Kurzschlußringe eine besonders
starke örtliche Wirkung. Man kann dadurch eine Verschlechterung der erfindungsgemäßen
Anordnung gegenüber den bekannten M-Schnitten sowie E- und I-Schnitten vermeiden.
Diese Maßnahme kann dann notwendig werden, wenn man an den Stellen 5 und 6 Luftspalte
vorsehen will. Die Luftspalte können einfach durch an den Stellen 5 und 6 eingelegte
Platten geeigneter Dicke festgelegt werden. Auch ist eine Veränderung der Luftspalte
im Betriebe möglich, wenn die Bandkerne 7 und 8 gegenüber den Kernen 3 und 4 durch
eine Vorrichtung zu verschieben sind.
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Die Flächen 5 und 6 (in Fig. i) macht man in der Regel genügend groß,
damit der magnetische Widerstand an den Stoßfugen verringert wird. Man muß dann
den Bandkern 9 zwischen den Punkten 14 und 15 breit machen. Um den Querschnitt der
Bandkerne 7 und 8 nicht unnötig zu vergrößern, kann man die Bandbreite zwischen
16 und 17 entsprechend verkleinern.
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In manchen Fällen ist es zweckmäßig, die Bandkerne 7 und 8 nicht auf
einem rechteckigen, sondern auf einem runden Dorn herzustellen. Die runde Form kann
man verwenden, wenn man eine Hochspannungswicklung hat, die große Abstände vom Eisenkern
haben soll. Natürlich können statt des runden Spulenkörpers, wie er in dem Beispiel
gezeigt ist, auch rechteckige Spulenkörper eingesetzt werden.