DE922423C - Transformator oder Drosselspule mit im oberen Teil stark abgeflachter Strom-Spannungs-Kennlinie - Google Patents

Description

• Transformator oder Drosselspule mit im oberen Teil stark abgeflachter Strom-Sp annungs-Kennlinie In bestimmten Fällen ist verlangt, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie von Transformatoren oder Drosselspulen anfänglich steil ansteigt und nach einem scharfen Knick nur noch wenig oder überhaupt nicht mehr zunehmen soll. Der Verlauf der Kennlinie soll auch den jeweiligen Betriebsbedingungen in einfacher Weise angepaßt werden können. Derartige Bedingungen liegen beispielsweise bei mechanischen Stromrichtern vor, deren periodisch betätigte Kontakte durch besondere Mittel von Schaltfeuer entlastet sind. Solche Mittel sind Schaltdrosseln, d. h. in der Nähe des Stromnulldurchganges entsättigte Drosselspulen, sau-drosselähnliche Transformatoren, gesteuerte Entladungsstrecken auf der Wechselstromseite des Haupttransformators usw. In allen diesen Fällen kommt es darauf an, daß der von den periodisch betätigten Kontakten zu schaltende Reststrom so klein wie möglich (kleiner als i Amp.) ist. Infolgedessen muß man für Schaltdrosseln und saugdrosselähnliche Transformatoren, aber auch für die Haupttransformatoren, insbesondere bei Anordnung der Schaltfeuer entlastenden Mittel (gesteuerte Entladungsstrecken, Schaltdrosseln) auf der 'Kechselstromseite des Haupttransformators, hochwertiges magnetisches Material vorsehen.
• Um Kennlinien von der verlangten Form zu erhaIten, stellt man in bekannter Weise den Transformatorkern nicht aus üblichem Transformatorblech, sondern ausschließlich aus einem besonderen Werkstoff mit hoher Anfangspermeabilität her. Solche Werkstoffe sind in erster Linie bestimmte Nickel-Eisen-Legierungen, deren Magnetisierungskennlinie an sich schon die gewünschte Form besitzt, d. h. sie isteigt zuerst isehr steil, fast senkrecht an und verläuft nach einem scharfen Knick nahezu waagerecht weiter. Je nach der Zusammensetzung der gewählten Legierung tritt der Zustand der Sättigung, der Sättigungspunkt, früher oder später, beispielsweise bei 85oo oder bei 16 ooo G, ein. Es gibt auch Werkstoffe, deren Sättigungspunkt noch tiefer, bei etwa 4ooo G, liegt.
• 'Der angestrebte Zweck wird mit einer Nickel-Eisen-Legierung als Kernbaustoff vollkommen erreicht. Wegen des hohen Preises solcher Legierungen werden aber die Kosten für den Kern untragbar hoch, wenn es sich um große Leistungen oder Stückzahlen handelt. Auch sind manche Sonderwerkstoffe nicht in Blechtafeln normaler Größe, sondern nur in schmalen Streifen erhältlich. Die Anfertigung großer Kerne ist daher umständlich und verursacht zusätzliche Kosten.
• Die Kernbleche können auch aus geeigneten Silizium-Eisen-Legierungen anstatt aus Nickel-Eisen-Legierungen bestehen. In diesem Fall besitzt die Kennlinie die gewünschte Form nur annähernd, aber die Kosten für den Kern sind schon ganz wesentlich niedriger.
• Auch der Gedanke, Sonderwerkstoffe nicht allein, sondern in Verbindung mit Transformatorblech zum Aufbau der Kerne zu verwenden; ist bekannt. So sollen bei Manteltransformatoren die Innenkerne, die die Wicklungen tragen, in der ganzen Länge aus einer magnetisch hochwertigen Nickel-Eisen-Legierung und die Außenjoche aus gewöhnlichem Transform.atorblech bestehen. Aus Preisgründen erhalten die Innenkerne einen kleinen Querschnitt, während der der Außenjoche groß gehalten werden kann. Die Innenkerne solcher Transformatoren enthalten aber immer noch viel von dem hochwertigen Werkstoff, so daß auch hier die Kosten für die Kerne verhältnismäßig hoch werden. Da ferner kein Luftspalt vorgesehen ist und die Abmessungen des Innenkernes nicht ohne weiteres geändert werden können, so ist die Forderung der Regelbarkeit der Kennlinie nicht erfüllt.
• Es wurde schließlich noch vorgeschlagen, den :Kern eines Transformators oder einer Drosselspule wie üblich aus Transformatorblech herzustellen und in den Teilen innerhalb der Wicklungen Querschnittsverengungen in Verbindungen mit Luftspalten vorzusehen. In der Fig. z ist die hierbei erreichte Strom-Spannungs-Kennlinie dargestellt und zum Vergleich in der Fig. i diejenige eines Transformators oder einer Drossel mit Luftspalt in gewöhnlicher Bauart. Man sieht, daß der obere Teil der neu-en Kennlinie nach Fig. a zwar einen viel geringeren, aber immer noch merklichen Anstieg besitzt.
• Um den gezeigten Anstieg des oberen Teiles der Kennlinie mit wirtschaftlich tragbaren Mitteln klein zu halten, soll der Kern eines Transformators oder einer Drosselspule die letztbeschriebene Form erhalten. Die Erfindung bezieht sich also auf einen Transformator oder eine Drosselspule mit im oberen Teil stark abgeflachter Strom-Spannungs-Kennlinie und mit einem Kern, der zum Teil aus Üblichem Transformatorblech, zum Teil aus Sonderwerkstoffen mit hoher Anfangspermeabilität und scharfem Sättigungsknick zusammengesetzt ist. Hierbei bestehen der Erfindung gemäß nur geringe, innerhalb der Wicklungen angeordnete Teile des Kernes in der Form kleiner Einsatzstücke aus Sonderwerkstoffen. Erfindungsgemäß besteht hierbeider Kern der Hauptsache nach, also der Hauptkern, aus üblichem Transformatorblech, während nur ein Teil in der Form kleiner Einsatzstücke aus magnetisch hochwertigen Werkstoffen hergestellt ist. Die Einsatzstücke sind, ebenfalls gemäß der Erfindung, innerhalb der Wicklungen angeordnet und bilden entweder allein die Stellen mit verringertem Querschnitt oder sie stehen mit diesen in Verbindung. Es können auch Einsatzstücke verwendet werden, die nicht aus einem, sondern aus mindestens zwei Sonderwerkstoffen mit verschiedenen magnetischen Eigenschaften bestehen. Die Sättigungspunkte dieser Sonderwerkstoffe sind vorzugsweise derart gewählt, daß zwischen ihnen die betriebsmäßig verlangte Induktion des Hauptkernes liegt. Man kann schließlich für den Hauptkern eine besondere Silizium-Eisen-Legierung und für die Einsatzstücke eine Nickel-Eisen-Legierung verwenden.
• Fig. 3 a, 3 b bzw. 4. a, d. b zeigen den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie von Drosselspulen ohne und mit Luftspalt, die mit E#erneinsatzstücken gemäß Fig. 5 bzw. io ausgestattet sind. In den Fig. 5 bis g sind Ausführungsbeispiele von Kernen mit Einsatzstücken aus einem Sondenwerkstoff dargestellt, während die Fig. io die Verwendung von Einsatzstücken aus zwei verschiedenen Sonderwerkstoffen zeigt. Es sind mit i die aus Transformatoren-- oder hochlegiertem -Silizium-Fisen-Blech zusammengesetzten Hauptkerne, mit z und 3 die Einsatzstücke aus Sonderwerkstoff und mit q. die Wicklungen bezeichnet Die Anordnung gemäß -der Erfindung wirkt in der Weise, daß zunächst bei schwachen Feldern die Kerninduktion auch in den Teilen mit verengtem Querschnitt sowie in den Einsatzstücken gering bleibt. Im benachbarten Luftraum bildet .sich bei kleinen Luftspalten ein verschwindend geringes und, selbst bei großen Luftspalten kein nennenswertes Luftfeld aus. Daher führt das Einsatzstück praktisch den gesamten Fluß. Dies bleibt auch bei steigendem Feld so lange-bestehen, bis im Einsatzstück Sättigung, bei einem bestimmten Werkstoff beispielsweise bei 16 ooo G, eintritt. Bis dahin ist der erforderliche Erregerstrom gering, und die Kennlinie zeigt den anfänglich geradlinigen steilen Anstieg. Bei einer weiteren Zunahme des Felsdes kann aber der mit erreichter Sättigung im Einsatzstück vorhandene Fluß nicht mehr weiter ansteigen. Der gesamte weitere Fluß wird daher in den Luftraum neben dem Einsatzstück abgedrängt, und die Kennlinie steigt wie bei einer Luftdrossel nur- noch langsam an. Der Verlauf der Kennlinie einer DrossclspuIe ohne und mit Luftspalt, die einen Kern gemäß der Fig. 5 besitzt, ist in den Fig. 3 a und 3 b geneigt. Hier ist die Kennlinie einer gleichen Drossel, aber mit einem Eisenkern gewöhnlicher Bauart, gestrichelt dargestellt. Die vollen Linien i, a und 3 gelten bei Verwendung gleich hoher, aber verschieden breiter Einsatzstücke. Die untere Linie' i ergibt sich bei schmalen und die obere, 3, bei breiten Einsatzstücken.
• Aus der Fig. 3 a ist ersichtlich, daß ein nahezu waagerechter Verlauf des oberen Teiles der Kennlinie zu erreichen ist (Linie 3). Es kann aber stören, d.aß der Knick nicht mehr scharf ausgeprägt ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, verwendet man einen Kern von der in der Fig. io gezeigten Form mit Einsatzstücken, die verschiedene magnetische Eigenschaften besitzen. Man wählt für das Einsatzstück z einen Werkstoff, dessen Sättigungspunkt B2 über der Induktion Bk liegt, die betriebsmäßig im Hauptkern vorhanden sein soll. Dagegen werden die Einsatzstücke 3 aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Sättigungspunkt B3 unter der Induktion Bk liegt. Die Summe der Querschnitte q2 und q3 der Einsatzstücke kann kleiner als der Querschnitt qk des Hauptkernes sein. Zweckmäßig macht man sie aber gleich groß, also q2 -f- q3 = q,. Die Werte von B2 und B3 sind durch die Wahl der entsprechenden Werkstoffe bestimmt. Der Querschnitt q,,, ist mit der vorgeschriebenen Größe des Hauptkernes gegeben. Legt man fest, welchen Wert Bk bei Eintritt der Sättigung in den Einsatztücken erreichen will, so kann man q2 und q3. aus den Beziehungen bestimmen. Die Fig.4a und d.b zeigen die Kennlinien dieser Kernanordnung ohne und mit Luftspalt. Hierbei gelten die Linien 1,2 und 3 für verschiedene Verhältnisse von q2 und q3. Wird der Luftspalt auf das kleinstmögliche Maß verringert, so erhält man Kennlinien mit scharf ausgeprägtem Knie und mit einem kaum noch ansteigenden oberen Teil, entsprechend den Magnetisierungskennlinien der für die Einsatzstücke vorgesehenen Werkstoffe. Einen ähnlichen Verlauf besitzt auch die Kennlinie eines Kernes gemäß Fig.6 mit Längs- und Querluftspalten, wenn die ersteren so gering gehalten werden, wie es aus Herstellungsgründen möglich ist.
• Der wirtschaftliche Vorteil der neuen Kernformen für Transformatoren oder Drosselspulen mit besonderer Kennlinie liegt darin, daß der Aufwand an magnetisch hochwertigen, teueren Baustoffen wegen der Kleinheit der Einsatzstücke verhältnismäßig gering ist. Insbesondere bei den in den Fig. 8 und 9 gezeigten Kernen kommt man mit einem Mindestmaß hiervon aus. Daher verursacht auch ein Auswechseln von Einsatzstücken keine erheblichen Kosten.
• Gegenüber dem Bekannten besteht noch der Vorteil, daß man die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie weitgehend beeinflussen kann. Dies erfolgt durch die angegebenen Mittel, außerdem durch Vergrößern oder Verringern des Luftspaltes, gegebenenfalls bis Null, Austausch der Einsatzstücke gegen solche von anderen Abmessungen und verschieden hohen Sättigungspunkten .oder Verändern der Teilquerschnitte. Man kann daher die Kennlinie bei der Inbetriebsetzung oder bei nachträglichen Änderungen der Betriebsverhältnisse den geforderten Betriebsbedingungen anpassen, ohne daß Änderungen am Hauptkern oder an den Wicklungen erforderlich sind. Dagegen müssen Transformatoren oder Drosselspulen mit besonderer Kennlinie in bekannter Ausführung in der Regel umgebaut oder gegen neue ausgetauscht werden; wenn sie den gestellten Anforderungen nicht oder nicht mehr entsprechen.
• Bei Kernen gemäß der Erfindung ist es wichtig, da,ß auftretende Streuflüsse sehr gering bleiben. Daher soll nach Möglichkeit die bekannte Regel erfüllt sein, wonach für jeden Teildes Kraftlinienweges genau so viel erregende Amperewindungen aufzuwenden sind, wie zu seiner Magnetisierung erfarderlich sind. Genau kann diese Vorschrift natürlich nur für einen .einzigen Punkt der Kennlinie eingehalten werden, der zweckmäßig im oberen flachen Teil liegen soll und dessen Lage sehr wesentlich durch die Höhe und Breite .der Einsatzstücke oder durch die Größe der Querluftspalte (Fig. 6) bestimmt wird.
• Wie schon vorgeschlagen, kann der durch die Ouerschnittsverengungen entstehendeRaum zwecks besserer Ausnutzung mit zur Unterbringung der Wicklungen verwendet werden (Fig. 9). Dies trägt außerdem in an sich bekannter Weise zur Erfüllung der angegebenen Vorschrift bei, und zwar in Verbindung mit einer passenden Wahl der Höhe der Einsatzstücke.
• Der gezeigte Aufbau kann auch bei :dreischenkligen Kernen von Transformatoren oder Drosselspulen für Drehstrombetrieb Verwendung finden. Wie bekannt, werden hierbei die Jochquerschnitte @,-ergrößert, um die Ungleichheit der Erregerströme in .den einzelnen Phasen zu verringern.
• An Stelle der in den Fig. 5 und io .gezeigten Kernformen kann man auch andere, beispielsweise Ringkerne vorsehen, da sich auch bei diesen Einsatzstücke der beschriebenen Art verwenden lassen.
• Transformatoren oder Drosselspulen gemäß der Erfindung können außer für die in der Beschreibungseinleitung angeführten Gebiete beispielsweise bei magnetischen Verstärkern und bei Steuertransformatoren für die Gitterspannung von Stromrichtern vorteilhaft benutzt werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Transformator oder Drosselspule mit im oberen Teil stark abgeflachter Strom-Spannungs-Kennlinie und mit einem Kern, der zum Teil aus üblichem Transformatorblech, zum Teil aus Sonderwerkstoffen mit hoher Anfangspermeabilität und scharfem Sättigungsknick zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, da,ß nur geringe, innerhalb .der Wicklungen an-,geordnete Teile des Kernes in der Form kleiner Einsatzstücke aus Sonderwerkstoffen bestehen.
2. 2. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der aus üblichem Transformatorblech bestehende Hauptteil des Kernes (der Hauptkern) innerhalb der Wicklungen in unmittelbarer Nähe der Einsatzstücke Querschnittsverengungen besitzt.
3. 3. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzstücke aus mindestens zwei Sonderwerkstoffen mit verschieden hohen Sättigungspunkten bestehen, zwischen .denen die betriebsmäßig verlangte Induktion des Hauptkernes Hegt.
4. 4. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Beeinflussung der Kennlinie die Einsatzstücke gegen solche anderer Abmessungen und/oder anderer magnetischer Eigenschaften leicht auswechselbar sind.
5. 5. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Beeinflussung der Kennlinie vorhandene Luftspalte leicht veränderbar ,sind.
6. 6. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkern aus Silizium-Eisen besteht.
7. 7. Transformator oder Drosselspuke nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Streuflüsse für jeden Teil des Kraftlinienweges möglichst so viel erregende Amperewindungen vorgesehen sind, wie zu seiner Magnetisierung erforderlich sind. B. Transformator oder Drosselspule nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Ouerschnittsverengungen entstehende Raum zur Unterbringung .der Wicklungen verwendet ist. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 733 783; britische Patentschrift Nr. 454 95o.