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Transformator mit von der Wicklung getrennt flüssigkeitsgekühltem
lamellierten Eisenkern für induktive Erhitzer, insbesondere für die Oberflächenhärtung
mit Mittel- und Hochfrequenz Die Erfindung betrifft einen Transformator mit flüssigkeitsgekühltem
lamelliertem Eisenkern für induktive Erhitzer, insbesondere für die Oberflächenhärtung
mit Mittel- und Hochfrequenz, der zwischen Stromerzeuger und Heizleiter (Induktor)
geschaltet ist.
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Bei der Induktionserwärmung für die Zwecke des Glühens oder Oberflächenhärtens
sind die Platzverhältnisse der Glüh- oder Härtemaschinen beschränkt. Es ist daher
die Forderung gestellt, daß der Hochfrequenztransformator die kleinstmöglichen Baumaße
aufweist bei voller Leistung des Generators, wobei auf den Wirkungsgrad weniger
Gewicht gelegt zu werden braucht.
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Die bisherige Entwicklung beim Bau von Hochfrequenztransformatoren
ist so vor sich gegangen, daß in Anlehnung an die eisenlose Induktionsspule bei
eisenlosen Induktionsöfen ein Lufttransformator erstellt wurde, bei dem also das
induzierende Magnetfeld sich ausschließlich über Luftwege erstreckt. Der Anwendung
eines lamellierten Eisenkerns stand man zunächst fremd gegenüber, da einerseits
eisenlose
Transformatoren leicht herzustellen sind und andererseits
bezüglich der Leistungsübertragung für höhere Frequenzen keine Erfahrungen vorlagen.
Es wurden bei höheren Frequenzen übermäßige Eisenverluste infolge des elektromagnetischen
Hauteffektes erwartet, die man nur durch vergrößerte Eisenquerschnitte oder durch
eine feinere, aber kostspieligere Lamellierung glaubte beherrschen zu können. Nachteile
des eisenlosen Transformators sind der große Blindstrom mit erheblichen Kupferverlusten,
die störende Streuwirkung und die beträchtlichen Abmessungen. An den Kupferverlusten
wurde - obwohl auch hier die Hautwirkung in Erscheinung tritt - wenig Anstoß genommen,
weil mittels Wasserkühlung in rohrförmigen Leitern die Stromwärmeverluste verhältnismäßig
leicht abzuführen sind. Um die Transformatoren kleiner zu gestalten bzw. um die
Kupferverluste herabzusetzen, wurden später nach den Gesichtspunkten der Niederfrequenz-Starkstromtechnik
lamellierte Eisenkerne angewendet, die so ausgelegt wurden, daß die Eisenverluste
innerhalb der üblichen Grenzen blieben, d. h., es wurde mit Rücksicht auf die höheren
Frequenzen die Induktion stark herabgesetzt. Dies galt insbesondere für die bei
den vorerwähnten Induktionsöfen verwendeten mittleren Frequenzen. Für höhere Frequenzen
wurde anstatt des lamellierten Eisenkernes der sogenannte Massekern benutzt, um
die Eisenverluste zu begrenzen. Der Massekern ist ein Hochfrequenzeisenkern aus
Eisenpulver mit isolierendem Bindemittel. Diese magnetisch verbesserten Transformatoren
haben immer noch den Nachteil, daß die Stromwege, die wassergekühlt sind, weitaus
stärker beansprucht werden als die Feldwege. Die Typenleistung eines solchen Transformators
ist gering, weshalb er kostspielig ist.
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Bei Hochspannungstransformatoren ist es bereits bekannt, Wicklungen
und Kern, der einen die Wicklungen zum Teil umgebenden geschlossenen Eisenpfad für
die magnetischen Feldlinien bildet, als Ganzes in einem Behälter unter Öl anzuordnen.
Für Transformatoren nach der Erfindung gelten hinsichtlich des Aufbaues der Wicklungen
wie auch des Kernes andere Gesichtspunkte. Bei Transformatoren für induktive Erhitzer
ist es bereits durch Wologdin bekannt, den Eisenkern getrennt von der Wicklung zu
kühlen, und zwar durch wassergekühlte Zwischenlagen aus Kupfer oder Aluminium, im
Transformatorkern und auch durch an der Stirnseite des Eisens angeschweißte kupferne,
mit Wasser gekühlte Platten.
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Eine sehr wirkungsvolle und konstruktiv eindeutig zu beherrschende
Lösung für Mittel- und Hochfrequenztransformatoren mit von der Wicklung getrennt
flüssigkeitsgekühltem lamelliertem. Eisenkern wird nach der Erfindung dadurch erreicht,
daß erfindungsgemäß der die konzentrischen Primär- und Sekundärwicklungen durchsetzende
und ungefähr beiderseits der Wicklungen endende Eisenkern in einer rohrförmigen
nichtmetallischen Hülle untergebracht ist. Diese Ausbildung fördert die Wärmeabführung
und die gedrängte Bauweise erheblich und ergibt auch eine bessere Kühlwirkung des
Transformators, als wenn der Eisenkern mit wassergekühlten Zwischenlagen aus Kupfer
oder Aluminium versehen wäre. Außerdem ist die Herstellung einfacher und billiger
als bei den zuletzt genannten Transformatoren.
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Der erfindungsgemäße Transformator läßt sich durch die äußerst gedrängte
Baugröße ohne Schwierigkeiten in die induktiven Erwärmungsvorrichtungen einordnen,
was besonders bei Härteeinrichtungen wichtig ist, bei denen wegen der Anordnung
der Abschreckvorrichtung, von Tastorganen usw. sehr wenig Platz zur Verfügung steht.
Ein weiterer Vorteil ist der, daß er sowohl in Verbindung mit Maschinengeneratoren
als auch mit Röhrengeneratoren brauchbar ist.
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Zweckmäßig ragt der Eisenkern des Transformators beiderseits aus der
Wicklung heraus, und zwar um den 0,5- bis zfachen Radius der Öffnung der
ihn umschließenden Spule, so daß das Feld im Luftraum ziemlich ungestört übertreten
kann.
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Der erfindungsgemäße Transformator wird so berechnet, daß die Temperatur
im Innern des Paketes nicht größer als etwa 150'C wird, damit die Blechisolation
(Papier und Lack) nicht leidet. Da die Wärme in der Blechrichtung abwandern kann,
wird der Querschnitt des Eisenkernes im kreisförmigen Hüllrohr gleich
F - a . a . j/ 2 ausgelegt. Bei diesem Größenverhältnis wird die geringste
Temperatur bei gleichem Feldfluß und Rohrdurchmesser erzielt (Fig. 4).
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Für größere Leistungen wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
der Eisenkern in Einzelpakete aufgeteilt, die in dem kreisförmigen Hüllrohr liegen.
Zweckmäßig sind dabei die Einzelpakete in schlauchartigen Hüllen untergebracht,
durch die Kühlflüssigkeit strömt. Die Hüllen können z. B. aus Gummi oder einem Kunstpreßstoff
bestehen. Auf diese Weise wird eine besonders gute Wärmeabfuhr erreicht.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise veranschaulicht:
Fig. i zeigt einen Transformptor im Längsschnitt; Fig. 2 ist ein Seitenriß, Fig.
3 ein Grundriß nach Fig. i; Fig.4 zeigt den lamellierten Eisenkern im Querschnitt;
Fig. 5 und 6 zeigen Beispiele für die Aufteilung des Eisenkernes in einzelne Pakete.
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Der in Fig. i bis 3 dargestellte Hochfrequenztransformator wird innerhalb
einer Einrichtung zum Oberflächenhärten gebraucht, die mit Hochfrequenz arbeitet.
Von außen nach innen betrachtet, besteht der Transformator aus dem Mantelblech i,
das mit der Fußplatte 2 verbunden ist. Diese ist mit Schrauben 3 auf dem Sockel
4 befestigt. Auf dem Mantel i, der die Sekundärwicklung darstellt, sind Rohre 5
und 6 aufgelötet, durch die Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, strömt. Innerhalb des
Mantels liegt die mit Isolierschlauch umzogene Primärspule 7, die aus einem Kühlwasser
führenden Rohr besteht. Durch den Innenraum der Primärspule 7 ist eine nichtmetallische
Hülle 8 gesteckt. Die Hülle 8 hat einen geschlossenen Boden8 a und einen Deckel
8 b, der zwei Bohrungen für eine Kühlflüssigkeitsleitung g und eine Kühlflüssigkeitsableitung
io enthält. Im Innern der Hülle 8 ist ein lamellierter Eisenkern ii gegen Drehung
gesichert
gelagert. Die Lamellen bestehen z. B. aus Dynamoblech
von o,i mm Stärke und sind gegeneinander durch Papier- und/oder Lackschichten isoliert.
Die beiden Seitenflächen des Eisenkerns ii sind durch Bleche 12 aus Kupfer, Aluminium
oder Silber abgeschirmt.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist der Querschnitt des Transformator-Eisenkerns
ein in einem Kreis vom Innendurchmesser der Hülle 8 gelegtes Rechteck, dessen eine
in der Blechebene liegende Seite gleich a und dessen andere Seite gleich a . V/
ä ist. Wie eingangs dargelegt, geben diese Abmessungen die geringste Temperatur
bei gleichem Feldfluß und Rohrdurchmesser.
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Bei größeren Leistungen kann der Transformator-Eisenkern in einzelne
Pakete aufgeteilt werden. Ein Beispiel zeigt schematisch die Fig. 5. Hier ist eine
Aufteilung in drei Pakete P1, P2, P3 vorgenommen, die in einer Hülle 8 gelagert
sind, durch die Kühlflüssigkeit strömt. Eine bessere Lösung zeigt Fig. 6. Hier ist
eine Aufteilung in der Weise vorgenommen, daß um ein zentral gelagertes Paket P1
fünf weitere Pakete P2 bis P6 angeordnet sind. Jedes Paket ist in einer schlauchartigen
Hülle 13 untergebracht, die z. B. aus Kunstpreßstoff oder Gummi bestehen kann. Die
einzelnen Pakete sind wieder in einem Kühlrohr, ähnlich wie in Fig. i, gelagert
oder durch Bandagen zusammengehalten. Jedes Eisenkernpaket wird für sich durch Kühlflüssigkeit
gekühlt, die durch die Hüllen 13 strömt.