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Schichtkern für Transformatoren, Drosseln und ähnliche Geräte Bei
dem Aufbau von Eisenkernen für Transformatoren und Drosseln geht die Entwicklung
in der Richtung, die Kerne aus Werkstoffen mit magnetischer Vorzugsrichtung herzustellen.
Ihre Kennlinie hat einen scharfen Sättigungsknick und verläuft darüber hinaus annähernd
waagerecht. Derartige Kerne lassen für eine gegebene Feldstärke, d. h. für einen
gegebenen Magnetisierungsstrom, größere magnetische Induktionen zu und führen dadurch
zu einer Gewichtsersparnis. Diejenige Kernform, bei der die überlegenen magnetischen
Eigenschaften von Blechen mit magnetischer Vorzugsrichtung unverfälscht zur Wirkung
kommen, ist der Bandringkern. Bei diesem ist jedoch das Aufbringen der Wicklung
zeitraubend und teuer, und auch der erreichbare Wicklungsfüllfaktor ist besonders
bei Ringkernen geringen Durchmessers kleiner als bei Rechteckkernen. In vielen Fällen
ist es daher erwünscht, die Kerne aus gestanzten oder geschnittenen Blechen zu schichten.
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Bei Verwendung des bisher üblichen Kernaufbaues mit gestanzten oder
geschnittenen Blechen mit überlappten Stoßfugen macht sich jedoch der Einfluß der
Stoßfugen durch eine Verschlechterung der Magnetisierungskurve unangenehm bemerkbar.
Es
ist ferner zu beachten, daß bei Siliziumeisen im Gegensatz zu
Nickeleisen keine solchen gestanzten Schnitte verwendet werden können, bei denen
der- Kraftfluß stellenweise quer zur Walzrichtung des Bleches verläuft. Während
nämlich Nickeleisen zwei Vorzugsrichtungen aufweist, die beide in der Blechebene
liegen und von denen die eine in der Walzrichtung, die andere senkrecht dazu verläuft,
ist bei Siliziumeisen nur eine einzige Vorzugsrichtung vorhanden. Diese fällt mit
der Walzrichtung zusammen. In der Querrichtung dagegen sind die magnetischen Eigenschaften
stark verschlechtert. Siliziumeisenkerne müssen daher aus Streifen derartig geschichtet
werden, daß die Walzrichtung des Bleches stets mit der Richtung der magnetischen
Kraftlinien übereinstimmt.
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In Fig. i und 2 ist in Ansicht und Schnitt ein Kern dargestellt, der
in der früher üblichen Weise aus Streifen geschichtet ist. Die Stoßfugen i bis 4
und i' bis 4' liegen dabei senkrecht zur Streifenrichtung (Fig. i) und sind umschichtig
versetzt (Fig. 2). Bei diesem Aufbau des Kernes liegen zwar alle Bleche mit der
Walzrichtung in Richtung des Kraftflusses. An der Stelle einer Stoßfuge aber tritt
nahezu der gesamte Kraftfluß des durch die Fuge unterbrochenen Bleches vorübergehend
in die benachbarten, durchgehenden Bleche über. Infolgedessen ist in, diesen die
magnetische Induktion an der Stelle neben der Stoßfuge etwa doppelt so hoch wie
in den übrigen Teilen. Dieses bedeutet, daß an dieser Stelle das Eisen bereits gesättigt
wird, wenn die Induktion in den -übrigen Teilen erst halb so groß wie die Sättigungsinduktion
B" ist. Mit anderen Worten, bei Überschreitung von B,s/2 in den Hauptteilen des
Kernes wirkt das den Stoßfugen benachbarte, gesättigte Eisen der durchgehenden Bleche
ebenfalls bereits wie ein Luftspalt, und es tritt infolgedessen oberhalb von Bs/2
je nach der Länge der Stoßfuge eine mehr oder weniger starke Scherung der Magnetisierungskurve
ein. In dem Schaubild der Fig. 3 ist dies schematisch angedeutet, wo 4 den Verlauf
der Magnetisierungskurve bedeutet, wie er eintreten würde, wenn überhaupt keine
Stoßfuge vorhanden wäre, und 5 den Verlauf der Magnetisierungskurve bei einer Blechschichtung
nach Fig. i und 2 darstellt, wo die Scherung bei etwa der Hälfte der Sättigungsinduktion
einsetzt. Daher kann, wenn der Magnetisierungsstrom auf der gewünschten geringen
Höhe bleiben soll, das Eisen nur mit ungefähr der halben Sättigungsinduktion ausgenutzt
werden.
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Es ist bekannt, zur Verbesserung der magnetischen Verhältnisse die
Stoßfugen nicht in der Verlängerung der Fensterseiten, sondern entsprechend Fig.
4 unter einem Winkel von etwa 45° diagonal zu legen. Die umschichtige Versetzung
der Stoßfugen erfolgt dabei durch Verschiebung der Schenkelbleche in Längsrichtung
bei gleichzeitigem Wenden des Jochbleches, wobei der hierfür erforderliche Blechschnitt
gleichzeitig eine geringe Verbreiterung der Jochbleche ergibt, und zwar um den gleichen
Betrag, um den die Schenkelbleche verschoben sind. Diese Ausführung setzt die Induktion
neben den Stoßfugen zwar bereits von 2 B auf etwa V2 B herab, beseitigt aber die
Kennlinienverschlechterung nicht völlig. Die Scherung beginnt hier bei etwa o,7i
B" (s. Fig. 3, Kurve 6). Demgegenüber ermöglicht es die Erfindung, den Einfluß der
Stoßfugen bis zu seiner völligen Beseitigung zu verringern. Die Erfindung betrifft
demgemäß einen Schichtkern für Transformatoren, Drosseln und ähnliche Geräte, bestehend
aus einem hochwertigen Magnetwerkstoff mit scharf geknickter und darüber hinaus
annähernd waagerecht verlaufender Magnetisierungskennlinie mit magnetischen Vorzugsrichtungen
der Bleche und mit in den Kernecken angeordneten überlappten Stoßstellen, an denen
wenigstens ein Teil der Blechkanten in einer von den Verlängerungen der Fensterseiten
abweichenden Richtung schräg, vorzugsweise diagonal, verläuft, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Stoßfugen bzw. die Übertrittskanten, d. h. diejenigen Blechkantenabschnitte,
an denen magnetische Kraftlinien in benachbarte Blechschichten übertreten, in jeder
Kernecke von dem gemeinsamen Fenstereckpunkt aus in benachbarten Schichten in verschiedenen
Richtungen, die jedoch von der Längsrichtung der Schenkel um weniger als 33" 41'
abweichen, verlaufen, und daß durch eine bedeutende Vergrößerung der Jochhöhe auf
mindestens das i,5fache der Schenkelbreite die Mindestlänge der Übertrittskanten
dem. doppelten Betrag der Schenkelbreite so weit angenähert ist, daß der Schichtkern
eine scherungsarme Magnetisierungskennlinie von praktisch derselben Form hat wie
ein Bandringkern aus demselben Magnetwerkstoff. Im Gegensatz also zu dem bekannten
Bestreben, die Wirkung von Luftspalten durch möglichst große Überlappungsflächen
herabzudrücken, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß nicht diese Fläche,
sondern die Länge der überlappten Blechkanten entscheidend ist, «renn es gilt, eine
möglichst rechteckige Magnetisierungskennlinie zu erzielen, und daß dazu die. bekannte
Jochverbreiterung für sich allein nicht ausreicht, sondern erst in Verbindung mit
einer solchen Lage der Übertrittskanten, daß die =Vergrößerung der Jochhöhe in vollem
Maße der Verlängerung der Übertrittskanten zugute kommt.
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Bei einem weiteren bekannten Schichtkern verlaufen die Stoßfugen einer
Kernecke in benachbarten Blechschichten von der Fensterecke aus zunächst übereinstimmend
längs der Diagonale und dann von dieser aus nach verschiedenen Seiten schräg, um
nach einem Knick wieder auf der Diagonale zusammenzutreffen und längs dieser gemeinsam
bis zur äußeren Kernecke zu verlaufen. Hier wird durch den von der Diagonale teilweise
abweichenden Fugenverlauf eine verhältnismäßig große Überlappungsfläche erzielt,
welche dazu dient, den mechanischen Zusammenhalt der Kernteile mit Hilfe der Reibung
zu verbessern, -jedoch geht die Länge der überlappten Stoßfugenteile über das i,4fache
der Schenkelbreite nicht hinaus. Außerdem geht ein Teil der Schenkelbreite wie auch
der gleich großen Jochhöhe durch die in sämtlichen Schichten gemeinsam in der Diagonale
verlaufenden Teile der Blechkanten für den Übertritt der Kraftlinien verloren. Diese
Nachteile werden mit der Erfindung vermieden.
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In den Fig. 5 bis g sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in Ansicht
und teilweise auch im Schnitt schematisch dargestellt, bei denen jede Kernecke
einesteils
von- Schichten, bestehend aus je einem Schenkelblech und je einem sich mit im wesentlichen
diagonaler Stoßfuge anschließenden Jochblech, anderenteils von Schichten mit je
einem sich im wesentlichen rechteckig bis etwa zur vollen Jochhöhe erstreckenden
Schenkelblech gebildet wird.
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Bei dem Schichtkern nach Fig. 5 liegen die Stoßfugen eines Teiles
der Bleche wiederum diagonal. Die Breite der Jochbleche 7 ist gegenüber derjenigen
der Schenkel 8 verdoppelt. Jede zweite Schicht 7', 8' des Kernes wird aus einem
vollständigen Rahmen solcher Bleche gebildet. In den Zwischenschichten dagegen befinden
sich nur Schenkelbleche 8", die aber jetzt rechtwinklig geschnitten sind und sich
bis zur vollen Jochhöhe erstrecken. Die Schenkel 8', 8" sind somit ganz mit Eisen
gefüllt, die mittleren Jochpartien (7') dagegen nur zu 5o01',. Die Induktion in
diesen Teilen der Joche 7 hat somit die gleiche Größe wie die Induktion in den Schenkeln.
In den Stoßfugen dagegen, wo der gesamte Fluß von zwei Blechen in nur einem einzigen
durchgehenden Blech verläuft, ist die Induktion
wenn man annimmt, daß die Kraftliniendichte längs der ganzen Stoßfugenbreite die
gleiche ist. In Wirklichkeit ist die Induktion zwar etwas höher, weil sich die Kraftlinien
nicht bis in die äußersten Kernecken erstrecken, doch wird sie den Wert B nicht
nennenswert übersteigen. Das Ziel, auch neben den Stoßfugen keine höheren Induktionen
zu erhalten als in den übrigen Kernteilen, wird also durch die neue Anordnung erreicht,
und zwar mit einer nur unwesentlichen Gewichtszunahme gegenüber der der Anordnung
nach Fig. i.
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Will man einen Kern mit verstärktem Jochquerschnitt ausführen, so
können gemäß Fig. 5 und 6 die Zwischenräume zwischen den rechteckigen Schenkelblechen
8" bzw. zwischen den Jochblechen 7' noch durch ebenfalls rechteckige Jochbleche
7" zusätzlich ausgefüllt werden. Der Jochquerschnitt beträgt dann das Doppelte des
Kernquerschnittes.
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Eine beispielsweise nur 5o°oige Verstärkung des Jochquerschnittes
erhält man mit der Anordnung nach Fig. 7, wo die Breite der Jochbleche 7', 7" nur
das i,5fache derjenigen der Schenkelbleche 8', 8" beträgt und die Joche 7 ebenfalls
zusätzlich durch rechteckförmige Bleche 7" ausgefüllt sind. Die Induktion neben
den Stoßfugen ist dabei allerdings etwas höher und beträgt neben den diagonalen
Fugen und neben den senkrechten Fugen q/3 B.
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Kerne der neuen Bauart kommen in erster Linie für Bleche mit nur einer
magnetischen Vorzugsrichtung, z. B. Siliziumeisen, in Frage, wo es erforderlich
ist, aus Streifen aufgebaute Kerne zu verwenden, um eine Flußrichtung quer zur Walzrichtung
zu vermeiden. Sie sind jedoch auch für Bleche mit zwei magnetischen Vorzugsrichtungen,
z. B. für Nickeleisen, am Platze, wenn diese Kerne eine solche Größe haben, daß
die Schnitte nicht mehr im ganzen oder als U- oder L-Schnitte gestanzt werden
können, sondern aus einzelnen Streifen aufgebaut werden müssen. Die Grundgedanken
der Erfindung lassen sich sinngemäß auch auf drei- oder mehrschenkelige Kerne übertragen.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für einen dreischenkligen Kern.
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Die Erfindung läßt sich mit Vorteil anwenden auf Kerne für Transformatoren
und Drosseln, insbesondere Kerne für die Endstufen von magnetischen Verstärkern
(gesteuerte Trockengleichrichter), vor allem aber auch für Schaltdrosseln von Impulsschaltern
und Kontaktumformern, für die man bisher fast ausschließlich Bandkerne benutzt hat.