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Magnetischen Zwecken dienender Eisenkern Die Erfindung betrifft magnetischen
Zwecken dienende Eisenkerne, beispielsweise für Transfo.rma.toren, Müßwandler, Drosselspulen
u. dgl. Induktionseinrichtungen.
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Im allgemeinen werden die Magnetkerne für solche Einrichtungen aus
einzelnen Blechteilen aufgebaut, die von verhältnismäßig großen, durch Walzen hergestellten
Blechen eines geeigneten magnetischen Werkstoffes, wie Siliziumeisen oder einer
magnetischen Nickel-Eisen-Legierung, ausgestanzt oder ausgeschnitten sind. Durch
das Walzen erhalten die Bleche einen Gefügeaufbau, dessen Korn sich in der Walzrichtung
erstreckt. Der Weg des geringsten magnetischen Widerstandes in solchen Blechen entspricht
dabei im allgemeinen der Walzrichtung der Bleche, doch verläuft bei gewissen Eisenarten
die günstigste magnetische Richtung, soweit es sich um die magnetischen Verluste
handelt, in einem gewissen Winkel bezüglich der Walzrichtung.
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Bei einer üblichen Magnetkernform werden die Blechpakete aus L-förmigen
Blechteilen hergestellt. Derartige Blechteile können jedoch von den normalen Blechen
nicht in einer solchen Weise hergestellt werden, daß sich die günstigste magnetische
Richtung in beiden Schenkeln des Stanzteiles parallel
zum Flußweg
erstreckt, da sich das Gefügekorn durch alle Teile des Bleches in derselben Richtung
erstreckt und die beiden Teile des L-fö rtnigen Stanzteiles rechtwinklig zueinander
stehen.
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Bei einer anderem bekannten Magnetkernform werden rechteckige Blechteile
angewendet, die rechtwinklig zueinander verlaufend übereinander angeordnet werden.
Die günstigste magnetische Richtung bei einem solchen Kern kann zwar so gelegt werden,
daß sie mit der des Flußverlaufs durch den mittleren Teil der Bleche übereinstimmt,
doch muß der Magnetfluß an den Enden der einzeInen Blechteile, beim Übergang von
einem Schenkel zum benachbarten, quer zur günstigsten Magnetflußrichtung verlaufen,
so daß an diesen Stellen verhältnismäßig hohe Verluste entstehen.
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Um die Verluste zu verringern, bat man auch bereits Uförmige Bleche
mit dem für den Magnetfluß günstigsten Gefügeaufbau in den Schenkeln dadurch hergestellt,
daß von bandförmigem magnetischem Werkstoff mit diagonalen Schnittkanten Blechteile
abgeschnitten wurden, die an den Schnittkanten zu L-förmigen Blechteilen zusammengesetzt
und verschweißt wurden. Aus diesen größeren Uförmigen Blechteilen wurden die zum
I"'-ernaufbati benutzten Uförmigen Bleche durch einen weiteren Stanzvorgang abgetrennt,
mit dem auch die Spitzen der Schenkel abgetrennt wurden. Ein auf diese Weise hergestellter
rechteckiger Kern besitzt zwar an den beiden diametral gegenüberliegenden verschweißten
Stoßstellen günstige magnetische Eigenschaften, doch verläuft der Magnetfluß an
den beiden anderen diametral gegenüberliegenden Ecken des Kernes quer zur Richtung
des magnetisch günstigsten Gefügeaufbaues. Ferner ist die Herstellung der Bleche
verhältnismäßig umständlich, wobei ein gewisser Werkstoffabfall nicht zu umgehen
ist.
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Es ist ebenfalls bereits bekannt, Blechschichten eines lamellierten
Eisenkerns aus Einzelblechen aufzubauen, die mit unter d.5° gegen die Blechkantan
geneigten Schnittlinien an den Ecken zusa.minenstoßen und dadurch eine günstige
Flußausbildung gestatten. Zur Verringerung des magnetischen Widerstandes an den
Stoßstellen werden bei der Verwendung derartiger Kernschichten in bekannten Kernanordnungen
diese Kernschichten mit solchen abgewechselt, bei denen die Schnittlinien unter
einem von .I5° abweichenden Winkel gegen die Blechkante verlaufen. Solche Kern-.
eignen sich aber wegen der vielen verschiedenartigen Kerneinzelteile schlecht für
einen serienmäßigen Zusammenbau.
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Bei dem Kernaufbau gemäß der Erfindung werden die Blechschichten eines
lamellierten ferromagnetischen Kernes ebenfalls aus einzelnen Blechen zusammengesetzt,
die an den Ecken des Kerne mit unter .I5° gegen die Längskanten der Bleche geneigten
Stoßstellen zusammengefügt sind. Die genannten Nachteile werden erfindungsgemäß
dadurch vermieden, daß die einzelnen Kernbleche an den Stoßstellen Aussparungen
bzw. diesen entsprechende und in die Aussparungen eingreifende Ansätze aufweisen,
die zu den auf die schräge Schnitt kante der Bleche gefällten Mittelsenkrechten
synimetrisch angeordnet sind.
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Durch die an sich bekannte Verlängerung der Stoßfuge durch eine von
der Ebene abweichende Form wird der magnetische Widerstand des Kreises verringert.
Neben dieser bekannten Wirkung der verlängerten Stoßkante wird durch den erfindungsgemäßen
Aufbau der Kernteile eine hervorragende mechanische Stabilität des Kernes erreicht.
die noch dadurch erhöht werden kann, daß eine lagerweise Umkehrung von Aussparungen
und Ansätzen an den Stoßstiellen erfolgt. Dadurch ergibt sich auch eine hohe mechanische
Stabilität senkrecht zur Blechebene und außerdem noch eine Überlappung der Aussparungen
und Ansätze, die sich in elektrischer Beziehung günstig auswirkt. Durch die erfindungsgemäße
Ausbildung der Aussparungen und Ansätze an den Stoßstellen ist es möglich, die einzelnen
Kernbleche abfallos aus einem Blechband durch Ausstanzen zu gewinnen, indem sich
zwischen je zwei parallelen Schnitten ein. weiterer Schnitt befindet, der mit den
.Nachbarschnitten einen rechtem Winkel bildet. Vorzugswneise wird ein solcher Kern
aus einem bandförmigen magnetischen Werkstoff hergestellt, der in der Längsrichtung
des Bandes eine magnetische Vorzugsrichtung besitzt, wie dies beispielsweise bei
kaltgewalzten Blechen der Fall ist.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kernbleche ist es ferner
möglich, den gesamten Kern aus gleichartigen Blechen aufzubauen, für deren Herstellung
nur ein Schnittwerkzeug erforderlich ist.
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Die Schichtarbeit selbst wird durch das Vorhandensein von Aussparungen
und Ansätzen an den Schnittstellen, die nur eine einzige bestimmte Lage des Blechteiles
erlauben, wesentlich vereinfacht. Außerdem sind die einzelnen Bleche gegeneinander
absolut verlagerungssicher, so daß unter wirtschaftlich günstigen Herstellumgsbediingungen
Kerne mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Da die diagonalen
Schnittlinien geringe Verluste in den Ecken gewährleisten, wobei außerdem noch eine
Überlappung der Aussparungen und Ansätze vorgesehen ist, ergeben sich für den erfindungsgemäß
aufgebauten Kern auch sehr gute mechanische Eigenschaften.
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Eine besonders gute Vereinigung benachbarter Bleche an den Stoßstellen
wird durch eine schwalbenschwanzförmige Ausbildung der Aussparungen und Ansätze
erzielt, doch können die Aussparungen und Ansätze, insbesondere hei kleineren Kernen
oder solchen mit dünnen Blechen, auch durch dreieckige oder halbkreisförmige Flächen
od. dgl. gebildet sein. Zur Ermöglichung eines guten Zusammenhaltens des zusammengebauten
Kernes werden die Ausspä.rungen und Ansätze benachbarter Blechlagen so gelegt, daß
diese bezüglich der Stoßstellen der Bleche auf entgegengesetzten Seiten liegen.
Vorteilhaft wird der zusammengebaute Kern zur Beseitigung der bei der Abtrennung
der Bleche vom Blechband an den Schnittstellen
eiitstandeiien mechanischen
Beanspruchun gen und zur Verbesserung insbesondere der mit schwalbenschwanzförrn.igen
Verbindungen ver_ sehenen Stoßstellen einer Wärinebehand'lung unterzogen.
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Die Erfindung ist in den Fig. i bis 6 beispielsweise dargestellt.
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Fig. i -zeigt eine räumliche Ansicht eines nach der Erfindung hergestellten
Eisenkerns sowie Einzelteile dieses Kerns; Fig.2 veranschaulicht die Herstellung
der einzelnen Blechteile: des Kerns von Fig. i ; Fig. 3 ist eine Draufsicht auf
einen Kern einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung; Fig. .4 veranschaulicht
die Herstellung d°:r Blechteile für den Kern von Fig.3; Fig. 5 zeigt eine Ansicht
eines Kerns einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und Fi:g.6 veranschaulicht
die Herstellung der einze:lnen Blechteile für den Kern von Fig. 5.
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Der in Fig. i dargestellte Kern besteht aus Blechpaketen i i und 12,
die hierbei in einem Winkel von 9o° zueinander angeordnet sind. Die stumpf gegeneinander
anliegenden Schnittkanten an den Enden der benachbarten Blechteile verlaufen hierbei
in einem Winkel von 45°. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Enden der
einzelnen Bleche eine gerade Schnittlinie aufweisen, sie können auch gezahnt oder
andersartig ausgebildet sein. Die stumpf gegeneinander anliegenden Enden der winklig
zueinander stehenden Nachbarbleche jeder Blechlage stellen Stoßstellen dar, deren
gegeneinanderliegende Schnittkanten, von Verankerungsanaätzen und -ausnehmungen
abgesehen, eine gerade Schnittlinie aufweisen.
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Damit der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises gering ist,
müssen die benachbarten Bleche einer Blechlage an den Stoßstellen dicht aneinander
anliegen, und es werden vorteilhaft Mittel zur Erzielung einer luftspa,ltlosen Vereinigung
angewendet. Hierfür Fassen sich Klemmeneinrichtungen heiiutzen, finit denen die
Schenkelteile zusammengehalten «-erden. Derartige Klemmteile müßten jedoch so fest
angezogen werden, daß in den einzelnen Blechen innere Beanspruchungen auftreten
würden, welche die magnetische Eigenschaft des Metalls nachteilig beeinflussen.
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Bei dem in Fig. i dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Enden
der einzelnen Bleche so geformt und miteinander vereinigt, d@aß zwischen den benachbarten
Blechteilen ohne die Anwendung von Klemmeneinrichtungen eine innige, praktisch luftspaltlose
Verbindung gesichert ist. Die Bleche i i und 12 sind hierbei an einem Ende mit schwalbenschwanzförmigen
Ansätzen 13 und. am anderen Ende mit schwalbenschwan.zförmigen Ausnehmungen 1.4
versehen. Die Ansätze 13 und die Aussparungen 1d., die sich senkrecht von der diagonalen
Schnittkante erstrecken, sind so beschaffen, daß zwischen den Enden der auf diese
Weise miteinander vereinigten Blechteile kein nennenswerter Luftspalt entsteht.
Durch die eine Verriegelung herbeiführenden sches albenschwanzförmngen Verbindungen
wird eine , Trennung der Bleche nach <.lein Zusammenbau des Kerns verhindert.
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Beim Zusammenbau des Blechpaketes werden vorteilhaft die benachbartem
Blechlagen so angeordnet, daß sich die Ansätze an den Enden der einzelnen Bleche
in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Hierdurch wird eine Verlagerung der
Bleche einer Schicht verhindert. Es ist ferner nur notwendig, eine verhältnismäßig
leichte Klemmvorrichtung zur Zusammenhaltung der Bleche anzuwenden, die nicht so:
fest angezogen zu werden braucht, daß nennenswerte Beanspruchungen der Bleche entstehen.
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Die Bleche i i und 12 sind so von bandförmigen Werkstoffen abgeschnitten,
. daß die günstigste Magnetflußrichtung des Metalls in der Längsrichtung der Bleche
verläuft. Bei dem dargestellten Zusammenbau der Bleche verläuft der Magnetfluß durch
alle Schenkel des Kerns infolge der diiagonalen Stoßstellen an den Ecken nur in
der günstigsten magnetischen Richtung des magnetischen Werkstoffes:. Dies, ergibt
einen Magnetkreis hohen Wirkungsgrades. Vorteilhaft werden die einzelnen Blechteile,
wie in Fig.2 dargestellt, von einem Blechstreifen abgeschnitten. Der beispielsweise
aus Si;liziumstahl oder einer magnetischen Eisen-N ickel-Legierung bestehende Blechstreifen
wird vorteilhaft durch Kaltwalzen hergestellt, so daß er eine Struktur aufweist,
deren Korn sich in der Längsrichtung der Streifen erstreckt, wobei die günstigste
magnetische Flußrich:tung im wesentlichen parallel mit der Kornrichtung verläuft.
Die Streifen können irgendeine gewünschte Breite aufweisen und von unbeschränkter
Länge sein. Vorteilhaft entspricht die Breite der Streifen der Breite der Schenkel
des Kerns.
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Die Bleche können von einem solchen Streifen i,5 abgeschnitten bzw.
abgestanzt werden. Der Streifen wird dabei aufeinanderfolgend abhängig von der Länge
der einzelnen Schenkel quer unter einem Winkel zur Längsrichtung des Streifens durchschnitten,
der gleich die Hälfte des Winkels zwischen benachbarten Schenkelteilen ist. Die
Richtung aufeinanderfod.gender Schnitte ändert sich dabei abwechselnd.. Bei einem
rechteckigen Kern verlaufen die Schnitte unter ,45° zum Streifen, während der Winkel
zwischen benachbarten Schnitten 9o° beträgt. Damit die an den gegenüberliegenden
Enden vorgesehenen Ansätze genau mit den entsprechendenÖffnungen an den entgegengesetzten
Enden der Bleche übereinstimmen, müssen die vorteilhaft deckungsgleichen Aussparungen
und Ansätze genau in der Mitte der Schn ittlinie und genau symmetrisch zu beiden
Seiten einer auf der Mitte der diagonalen Schnittlinie errichteten Senkrechten liegen.
Die Bleche i i und 12 können von zwei getrennten Blechstreifen abgeschnitten werden.
Sie können aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt, abwechselnd aus denselben Streifen
ausgestanzt werden. In beiden Fällen wird jeder Werkstoffverlust vermieden.
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Die Ausbildung der schwalbenschwanzförmigen Verbindungen zwischen
den benachbarten Blech
teilen ist unwesentlich. Von Bedeutung ist
nur: daß sie so, beschaffen sind, daß sich eine möglichst geringe Menge des Metalls
in der Magnetflußrichtung erstreckt, dessen Strukturverlauf in einem Winkel zum
Flußverlauf steht.
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Zur Herstellung der Kerne ist es vorteilhaft, die in der vorstehend
angeführten Art und. Weise ausgestanzten Bleche zusammenzubauen bzw. zu vereinigen
und den so gebildeten Kern einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Durch de Wärmebehandlung
werden die durch das Stanzen hervorgerufenen Beanspruchungen des Metalls beseitigt.
Die miteinander vereinigten Teile vergrößern sich dabei etwas und verfestigen deren
Verbindung, wodurch Luftspalte praktisch beseitigt werden.
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Bei gewissen Kernausführungen kann auf eine gegenseitige, durch schwalbenschwanzförmige
Aussparungen und Ansätze vollzogene Verriegelung der einzelnen Bleche zur Erzielung
einer ausreichend festen Verbindung zwischen den Stoßstellen verzichtet werden.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten abgeänderten Ausführungsformen, bei denen keine
schwalbenschwanzförmigen Verbindungen vorgesehen sind, eignen sich insbesondere
für kleinere Kerne oder für solche Kerne, die aus verhältnismäßig dünnen Blechen
bestehen. Die Schenkelteile 2o, 2i des Magnetkerns von Fig. 3 bestehen ebenfalls
aus einem bandförmigen magnetischen Werkstoff, dessen günstigste magnetische Richtung
im wesentlichen der des Magnetflusses entspricht. Bei dieser Ausführungsfarm ist
jedoch an der Stoßstelle zwischen den benachbarten Blechen einer Blechlage ein nicht
schwalbenschwanzförmiger Ansatz 22 vorgesehen, während der Gegenschnitt des recht-#vinklig
dazu verlaufenden Nachbarbleches mit einer entsprechenden Ausnehmung 23 versehen
ist. Wie dargestellt, sind die Ansätze undAusnehmungenhalbkreisartigausgebildet,
doch können selbstverständlich auch andere Formen Anwendung finden.
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Beim Zusammenbau des Kerns dieser Ausführungsform werden die einzelnenBleche
jederBlechlage dicht aneinandergelegt, so daß ein geringster Raum zwischen den benachbarten
Enden entsteht. Die benachbarten Blechlagen werden ferner so angeordnet, daß sich
die Ansätze 23 der benachbarten Blechlagen, wie in Fig. 3 gestrichelt dargestellt,
in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Beieinem solchen Zusammenbau überlappen
sich die Ansätze mit den Enden der Bleche benachbarter Blechlagen, an denen keine
Aussparungen vorgesehen sind. Der ganzeKern kann durch geeignete-Klemmittel (nicht
dargestellt) zusammengehalten `werden, wobei nur eine verhältnismäßig geringe Klemmkraft
erforderlich ist, so daß in den Blechen keine nennenswerten inneren Beanspruchungen
entstehen, welche die magnetischen Eigenschaften nachteilig beeinflussen. Infolge
der durch die Klemmung bewirkten Reibung zwischen den sich überlappenden Teilen
der Bleche benachbarter Blechlagen wird auch bei Anwendung einer verhältnismäßig
geringen Klemmkraft ein einwandfreier Zusammenhalt des Kerns erzielt. Die einzelnen
Bleche des Kerns können auch von Magnetblechen irgendwelcher Größe ausgestanzt oder
ausgeschnitten werden, wobei jedoch die gnetflußrichtung im Kern der günstigsten
magnetischen Richtung in den Blechen entsprechen soll. Vorteilhaft werden die einzelnen
Bleche, wie in Fig. 4 dargestellt, von einem verhältnismäßig langen schmalen Streifen
25 abgestanzt. Damit die einzelnen Bleche im zusammengebauten Kern rechtwinklig
zueinander verlaufen, liegen die Schnitte auch hier in einem Winkel von 4.5° zur
Längsrichtung des Sreifens, und die Ansätze und die Aus.nehmungen benachbarter Schnittflächen
werden svmmetrisch zu beiden Seiten einer auf der Mitte der Schnittlinie stehenden
Senkrechten angeordnet. Bei einer derartigen Ausbildung entsteht zwischen benachbarten
Ecken kein nennenswerter Luftspalt.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung
besitzt der Kern Schenkelteile 30, 3i, die ebenfalls mit Stoßstellen einer abgeänderten
Form zusammengefügt sind. Hierbei ist einEnde jedes der Bleche mit einem dreieckigen
Ansatz 32 versehen, der an die Schnittlinie angesetzt ist, während das entgegengesetzte
Ende mit einer entsprechenden Ausnehmung 33 zur Aufnahme des Ansatzes des -Nachbarbleches
versehen ist. Die mit der Schnittlinie zusammengefallene Grundlinie des dreieckigen
Ansatzes ist vorteilhaft etwas kürzer als die Gesamtlänge der diagonalen Schnittlinie,
während die Höhe des Dreiecks etwa ein Viertel der Grundlinie beträgt. Hiermit wird
erreicht, daß die Breite jedes Bleches fortschreitend von Null am äußersten Blechende
bis zur größten Breite an der inneren Ecke der diagonalen Schnittlinie ansteigt.
Die fortschreitende Breitenvergrößerung der Bleche hängt dabei von dem entsprechenden
Winkel der beiden Seiten des dreieckigen Ansatzes und der dreieckigen Ausnehmuiig
bezüglich der Seitenkanten der Bleche ab. Hieraus ergibt sich, daß der Magnetfluß
jedes Bleches in der Längsrichtung, d. h. in der günstigsten Richtung, durchsetzt,
wodurch eine gleichförmige Verteilung des Magnetflusses über den ganzen Kernquerschnitt
erzielt wird.
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Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform sind die Ansätze der Bleche
benachbarter Blechlagen entgegengesetzt bzw. spiegelbildlich zueinander angeordnet,
wie dies die gestrichelten Linien von Fig.5 darstellen, so daß sich auch hier die
Endteile der Bleche benachbarter Blechschichten gegenseitig überlappen und bei der
Festklernmung des Kerns durch die Reibung zwischen den sich überlappenden Teilen
der Bleche benachbarter Blechlagen ein einwandfreier Zusammenhalt des zusammengebauten
Kerns erzielt wird.
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Fig. 6 zeigt die Art und Weise der Herstellung der Bleche für den
Kern von Fig.5 von einem langen Blechstreifen 35 eines magnetischen Werkstoffes,
der den vorstehend beschriebenen Blechstreifen 15 und 25 entspricht. Ähnlich wie
bei der vorhergehenden Ausführungsform sollen auch die dreieckigen Ansätze und Ausnehmungen
der diagonalen
Schnittkanten zur Erzielung praktisch luftspaltloser
Stoßstellen symmetrisch zu beiden Seiten einer auf der Bitte der diagonalen Schnittlinien
errichteten Senkrechten verlaufen.
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Wenn die Beschreibung der Erfindung auch nur auf Magnetkerne für Transformatoren
und Drosseln Bezug nimmt, so ist es doch selbstverständlich. daß sie für .Magnetkerne
allgemein anwendbar ist. d. h. also auch für Magnetkerne von Nilotoren, Generatoren
und anderen umlaufenden Einrichtungen als auch für andere ortsfeste Induktionsapparate.
Auch ist die Erfindung nicht auf die in denFiguren dargestellte Gestalt der Kerne
beschränkt. So läßt sich beispielsweise ein dreischenkliger Kern nach der Erfindung
dadurch. herstellen, indem zwei Kerne, beispielsweise der in Fig. i dargestellten
Gestalt, so nebeneinander angeordnet werden, daß zwei Spulenfenster entstehen.