Verfahren zur Herstellung von gewickelten lamellierten Kernkörpern für elektrische Apparate, insbesondere für Transformatoren. Vorliegende Erfindung betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von lamellierten magnetischen Kernkörpern für elektrische Apparate, insbesondere für Transformatoren, durch Aufwickeln eines Bandes aus Magnet blech mit einer maximalen Permeabilität von wenigstens 15 000 auf einen viereckigen Dorn.
In neuerer Zeit ist ein magnetischer Stahl entwickelt. worden, der vorzugsweise in der Walzrichtung gute magnetische Eigenschaften aufweist, das heisst diese Eigenschaften kom men besser in der Walzrichtung als in andern Richtungen zum Ausdruck und sind auch besser als die der Handelsqualitäten des bisher verwendeten Siliziumstahls. Dieser verbesserte magnetische Stahl ist durch einen niedrigen Wattverlust pro Gewichtseinheit und durch eine hohe Permeabilität in der Richtung ge kennzeichnet, in der das magnetische Material bei seiner Zierstellung gewalzt wurde.
Um nun diese erhöhte Permeabilität und diesen niedrigen Wattverlust dieses neueren magne tischen Stahls voll ausnützen zu können, muss dieser so verwendet werden, dass der magne tische Fluss in der Walzrichtung auftritt.. In diesem Fall kann die zulässige magnetische Dichte viel höher sein, als sie früher ange wendet wurde.
Mit dem Erscheinen leistungs fähigerer magnetischer Stähle, die es erlau ben, eine viel höhere magnetische Induktion als früher im Kern hervorzurufen, wurde die zur Bildung eines Transformatorkerns von gegebener Kennleistung benötigte Eisenmenge weitgehend reduziert.
U m nun diesen Vorteil der neueren höher wertigen magnetischen Stähle ausnützen zu können, wurde ein Kern für magnetische Kreise entwickelt, der aus einem aus magne- t.ischein Bandstahl hergestellten einen Kern ring bildenden Kernwickel besteht, wobei dieser Bandstahl Schleife für Schleife auf eine Form, z. B. einen Stahldorn der ge wünschten Abmessungen, aufgetragen wird. Die so gebildeten Kernwickel werden gewöhn lich mit rechteckigen Fenstern versehen. Die Dorne sind so berechnet, dass sie nach Grösse und Form dein im fertigen Kernwickel vorge sehenen Fenster entsprechen.
Letzteres wird durch die Flachseite der Innenwindung des den Kernwickel bildenden Stahlbandes be grenzt. Die so gebildeten Kernwickel verblei ben auf den Dornen, auf denen sie aufge wickelt sind, und werden dann geglüht, um die durch das Aufv@-ickeln im Stahlband her vorgerufenen Spannungen möglichst zum Ver- sehu-inden zu bringen. Die Wickel werden dabei so angeordnet. und durch Gewichts auflage belastet, dass während des Glühpro zesses die Form der rechtwinkligen Kern wickel erhalten bleibt. Die gewickelten und geglühten Kernwickel werden im Vakuum mit.
einem plastischen Klebmaterial versehen, das in die Zwischenräume zwischen den aufein- anderfolgenden Windungen oder Lagen von magnetischem Stahlblech fliesst, und dann werden die Kernwickel erhitzt, so dass das Klebmaterial die Stahlblechlagen zu einem festen Gebilde zusammenbindet. Das Kleb material kann ein thermoplastisches Material sein, z.
B. ein thermoplastisches Kunstharz. Diese gewickelten lamellierten Kerne wer den weiter in zwei U-förmige Teile geschnit ten, die geeignet sind, elektrische, in Strom kreise zu legende Spulen aufnehmen mi kön nen und wieder zusammengefügt werden kön nen. Die beim Schneiden entstandenen Schnittflächen werden geschliffen -und ge ätzt, um beim Zusammenfügen der beiden U-förmigen Kernteile einen genau passenden Stoss zu erhalten.
Das oben beschriebene Verfahren zur Her stellung spiralgewickelter Kerne für magne tische Kreise benötigt mehrere verhältnis mässig kostspielige Arbeitsvorgänge und Werk zeuge, welche die Konkurrenzfähigkeit mit den aus Stanzblechen aufgebauten Kernen in Frage stellen. So wird bei diesem bekannten Verfahren jeder Kernwickel auf einen Dorn aufgewickelt und auf diesem Dorn während eines beträchtlichen Teils der nachfolgenden Bearbeitung belassen, z.
B. während des Glühvorganges, während der Imprägnierung des Kernwickels mit Bindemitteln und wäh rend des Erhitzens des Kernes zwecks Bil dung fest zusammenhängender Kernwickel. Diese teuren Arbeitsvargänge, einschliesslich des Abhebens des Kernwickels vom Dorn,
des Einsetzens von Abstandstücken zwecks Ver- hinderns eines Zusammenfallens des Kern wickels nach seiner Abnahme vom Dorn und des Belastens der Kernwickel mit einem schweren Gewicht zwecks Verhinderns eines Anschwellens der Schichten während des Glüh- und des Erhitzungsvorganges machen dieses bekannte Verfahren zu umständlich.
Weiter verlangt dieses Verfahren sehr viele Dorne, da jeder derselben im Arbeitsverfah ren noch für eine beträchtliche Zeit nach dem Wickeln gebraucht wird, so dass er nicht für andere Wickel gebraucht werden kann. Im Falle einer grossen Produktion müssen also viele Dorne verschiedener Form und Grösse vorhanden sein.
Im Gegensatz zu den bis jetzt bekannten Verfahren kennzeichnet sieh das erfindungs- @@ emässe Verfahren dadurch, dass das Band vor dem Aufwickeln durch Drucl,--virkung in einer zur Richtung, in welcher es beim Aufwickeln gebogen wird, entgegengesetzten Richtung gebogen wird.
Die Zeichnung veranschaulicht vorteil hafte Ausführungsbeispiele des erfindungs- gemässen Verfahrens, und zwar zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer zum Wickeln von lamellierten magnetischen Kernwickeln verwendeten gebräuchlichen Ma schine, Fig. 2 eine Seitenansicht eines gewickelten Kernringes zwecks Darstellung der Art und Weise, in der die Windungen eines auf her kömmliche Art auf einem gewöhnlichen Dorn aufgewickelten Kernringes bestrebt sind, zusammenzufallen,
wenn er vorgängig der Glüh- und Biegevorgänge vom Dorn ab genommen wird, Fig. 3 und 4 Einzelheiten, Fig. 5 eine schematische Ansicht einer zum Wickeln verwendeten Vorrichtung, zwecks Veranschaulichung eines Merkmals der vor liegenden Erfindung, Fig. 6 eine Seitenansicht einer bei der Ausführung eines Beispiels des erfindungs gemässen Verfahrens benützten Planscheibe und eines Dornes, Fig. 7 einen Querschnitt durch die Plan scheibe nach der Linie VII-VII der Fig. 6,
Fig. 8 eine Seitenansicht einer andern Variante einer Planscheibe mit Dorn, Fig. 9 eine Vorderansicht eines Kern wickels bekannter Konstruktion und Fig. 1.0 eine Vorderansicht eines nach vorliegendem Verfahren hergestellten Kern wickels.
Die in Fig. 1 teilweise gezeigte Wickel maschine besteht aus einem Rahmen 1, auf dem eine Welle (nicht gezeigt) montiert ist, die einerends einen Wickelkopf 2 trägt. Letz terer weist eine runde Planscheibe 3 auf, mit einem der im zu erzeugenden Kernwickel vor- gesehenen Durchbrechung (Fenster) entspre- elienden Dorn 4.
Gemäss dem bisher gebräueli- liehen Verfahren wird der Dorn während des Wicklungsvorganges auf der Planscheibe der Maschine festgehalten und nach dem Wickeln zusammen mit dem gewickelten Kernwickel abmontiert. Wenn Doris und Wickelkopf im Ilhrzeigersinn (gesehen in Fig. 1) rotiert werden, wird ein Stahlband 7 auf den Dorn 4 aufgewickelt. Das Stahlband besteht aus Magnetblech mit einer maximalen Permeabi- lität. von wenigstens 1 5 000.
Ein Paar zylin drischer l1itnehnierrollen 8 und 9 üben wäh rend des Wieklunäsvorganges einen konstan ten abwärtsgerichteten Druck auf den Wick lungsstreifen aus. Diese Rollen sind auf in einem .Joch 13 eingesetzten Drehzapfen 11. und 12 montiert, wobei das Joch 13 seiner seits auf einem Drehbolzen gelagert. ist, wel cher von einem Ruf einem Wagen 15 vorge sehenen Futter 14 festgehalten ist.
Der Wagen 15 ist in einem Träger 16 montiert, so dass er sich unter einem konstanten abwärtsgerieh- teten Druck vertikal bewegen kann, um die Mitnehmerrollen beständig gegen das Stahl band 7 anzudriieken, während letzteres auf den Dorn aufgewickelt wird. Das Joch 13 spielt frei um seinen Drehzapfen im Futter 14, so dass die Rollen 8 und 9 während des Wickelns der rechtwinkligen. Form des ge wickelten Kernringes folgen können. Das Stahlband 7 wird durch zwei Bremsrollen paare 18, 19 gezogen, die das Stahlband wäh rend seiner Aufwicklung auf den Dorn straff halten.
Zufolge dieser Bremswirkung und des Druckes der Mitnehmerrollen 8 und 9 wird beim Wickeln ein gewisser Druck in Richtung des Dornes auf das Stahlband ausgeübt. Es könnte zu diesem Zweck auch mit Vorteil eine Reibungsführung verwendet. werden.
Wenn nun auf diese bekannte Art und Weise ein Kernring gewickelt, ausgeglüht, mit einem plastischen Klebmaterial versehen, er hitzt, abgeschnitten und, wie oben beschrieben, behandelt wird, sieht er wie in Fig. 9 gezeigt aus. Das Fenster im Kernwickel gemäss Fig. 9 besitzt die Länge L und die Breite W, und die Schenkel 21, 22 des obern U-förmigen Kernteils 23 sind mit den Schenkeln 24 bzw. 25 des untern U-förmigen Kernteils 27 ausge richtet.
Diese beiden Teile sind, wie bekannt, mittels des -unter Spannung aufgetragenen und gehaltenen Metallbandes 28 an ihren Stossflächen 27 zusammengehalten, wobei die einander gegenüberliegenden Enden des Ban des 28 mittels einer Muffe 29 zusammengehal ten werden. Da die beiden U-förmigen Kern teile 23 und 26 einschliesslich deren Schenkel. nach dem Erhärtungsprozess für das Binde mittel, bei dem die Wickellagen des auf dem Dorn 4 befindlichen Kernwickels miteinander verbunden worden sind, feste einheitliche Ge bilde darstellen, und da deren Schenkel senk recht stehen, so wirken die Kräfte zwischen diesen Teilen in Richtung der Axen dieser Schenkel.
Wenn nun aber der gewickelte lamellierte Kernring sofort nach dein Wickeln vom Dorn abgehoben wird, das heisst vor Ausführung des Glüh- und des Erhärtungsprozesses, zeigt der Kern das Bestreben, in die Form gemäss Fig. 2 zusammenzufallen, wobei die Lamellen in den Abschnitten 27a und 28a auf der Innenseite des Ringes in das Kernfenster hin eingedrückt werden. Diese Ausbauchungen sind die Folge der während des Wickelns in das den Kernwickel bildende Stahlband ein geführten Kräfte.
Wie in Fig. 3 gezeigt, gelangt zufolge der durch die Bremsrollen 18 und 19 während des Aufwickelns der verschiedenen Windun gen von Stahlband 7 bzw. 31 auf den Dorn 4 hervorgerufenen Spannung und zufolge des durch die Mitnehmerrollen 8 und 9 ausgeüü- ten Druckes eine gewisse Kraft auf das Stahl band 7 oder 31 zur Einwirkung, die benötigt wird, um das Stahlband um die Kanten des Dornes zu biegen und die atifeinanderi'olgen- den Lagen fest zusammenzudrücken.
Diese einwärts gerichtete Kraft ist durch den Pfeil 32 angedeutet und wirkt. in entgegengesetzter Richtung einer Kraft 33, die vom Dorn 4 durch das Futter 34 auf das Stahlblechpaket. ausgeübt wird. Diese beiden Kräfte halten die Stalilbandwindungen in der gewünschten Lage, Fig. 4 zeigt einen Teil 35 einer Einzel- windeng 31, wie sie sich präsentieren würde, wenn sie nach ihrer [email protected] als Teil des fertigen Kernwickels wieder abgewickelt würde.
Eine bleibende Knicku.ng 36 über einer Kante des Dornes ist hervorgerufen wor den, während die dazu seitlichen Teile 37 und 38 in der entgegengesetzten Richtung ge bogen sind, das heisst in einer Richtung, in der die Blechlage bestrebt ist, sich vom Rest der Lagen 31 abzulösen.
_ Wenn der Kernwickel, wie oben beschrie ben, weiter bearbeitet wird, wodurch gemäss dem bis anhin üblichen Verfahren der fertige Körper vor dessen Abnahme vom Dorn gebil det wird, so werden die Lamellen durch den Erhärtimgsvorgang in ihrer gewünschten gegenseitigen Lage festgehalten.
Wenn aber der Kernwickel vor dem Tränken mit Binde mittel und Erhärten desselben vom Dorn ab genommen wird, so werden die während des Wicklungsvorganges aufgedrückten Kräfte nicht durch die entsprechenden Gegenkräfte 33 des Dornes aufgehoben, und das Ergebnis ist, dass die einwärts gerichteten Kräfte 32 ein gewisses Zusammenziehen oder Einwärts- verschieben der Bandstahllagen hervorrufen, wodurch der Kernwickel gemäss Fig. 2 defor miert wird.
Aus den oben angeführten Grün den ist es bis anhin unumgänglich gewesen, die Kernwickel vor ihrer Abnahme vom Dorn zu. glühen, mit Bindemittel zu tränken und dieses zu erhärten. Das Stahlband 7 wird nun bei der durch Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsform des Verfahrens durch einen Satz Biegerollen 39, 40 geleitet, wobei es in einer Richtung abgebogen wird, die der beim Aufwickeln des Bandes auf den Dorn 4 zwecks Bildung des Kernwickels an den Kanten des Dornes vor handenen Biegerichtung entgegengesetzt ist.
Nach diesen Rollen 39, 40 wird das Stahl band 7 durch eine Bremsvorrichtung 41 ge führt, so dass es bei seinen Aufwickeln auf den Dorn 4 unter Spannung gehalten wird. Dadurch werden die aufeinanderfolgenden Bandlagen im entstehenden Kernwickel fest aufeinander gepresst.
Gemäss einer andern Ausführungsform wird, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, ein Wickel kopf 42 mit einer Planscheibe 43 verwendet, die von einem Biegedorn 44 von der in Fig. 6 angegebenen Form, die der gewünschten Form des Umrisses des Fensters im zu. wickelnden Kern entspricht, durchsetzt ist. Der Dorn 44 weist einen leichten Anzug auf von der Planscheibe 43 weg gegen das Dorn aussenende, wie aus Fig. 7 ersichtlich, so dass der Kern nach seiner Fertigwicklung sich ohne Zwang vom Dorn abheben lässt.
Dieser Anzug beträgt nur etwa 0,5 J über alle vier Seiten des Dornes. Ferner sind die langen Seiten 45, 46 des Dornes 44 schwach konvex ausgebildet, und zwar mit einem Betrag, der etwa 0,5 % der Länge der langen Seiten 45, 46 ausmacht. Der Grad des Anzuges und derjenige der Konvexität der Dornseiten ist so klein, dass es unmöglich ist, sie in der Zeichnung wiederzugeben. Sie sind daher in Fig. 6 übertrieben dargestellt.
Dementsprechend ist auch die Strecke 47 in Fig. 7, und ebenso die Strecke 48 in Fig. 10, übertrieben dargestellt. Da die Dorn langseiten schwach konisch und sehwach kon vex sind, so werden, wenn das Stahlband 49 (Fug.
10) um die beiden U-förmigen Kern hälften gelegt und durch die Klammer 51 festgehalten wird, die an den Trennflächen 52 zwischen den beiden Kernhälften auftre tenden Kräfte nicht genau gleichachsig sein, sondern, wie durch die beiden Pfeile E und angedeutet, einen stumpfen Winkel mit einander bilden, so dass sich eine seitliche Komponente E" ergibt, die das Bestreben hat, die gegeneinandergerichteten Schenkel der beiden Kernhälften von der Kerndiirchbre- chizng weg, entgegen der Spannung im Band 49, zu. drücken.
Der Dorn 44 kann auf der Treibwelle 54 (Fug. 7) der Wickelmaschine festmontiert sein, wobei der durch letztere angetriebene Dorn mit seinem verjüngten Ende sich von der Planscheibe 43 abhebt. Nachdem der Kern auf seine gewünschte Grösse gewickelt. worden und das Ende des den Kern bilden den Stahlbandes abgeschnitten und z.
B. mit- tels Schweissens oder einer Klammer usw. am Kernwickel befestigt worden ist, wird letzte rer maschinell vom Dorn ab-estreift, entweder indem die Planscheibe 13 nach aussen über den Dorn 44 gestossen oder der Dorn 44 rückwärts durch die öffnung 55 im Umlauf kopf der Wickelmaschine, durch die sich der Dorn erstreckt, gedrückt. wird.
Nachdem der Kernwickel vom Dorn abge streift worden ist, wird er seitlich auf eine geeignete Unterlage gelegt, das heisst so, dass das Kernfenster senkrecht zur Unterlage stellt. In dieser Lage wird der Kernwickel geglüht, mit einem geeigneten in der Wärme erhärten den Bindemittel versehen und erhitzt. Diese Arbeitsvorgänge ersparen eine beträchtliche Arbeit, die sonst erforderlich ist, wenn der Kern auf dem Dorn, auf dem er gewickelt wurde, geglüht wird. Die Kerne können somit viel billiger als nach den oben erwähnten be kannten Verfahren hergestellt werden. Bei letzteren muss eine beträchtliche Zahl von Dornen bereitgestellt werden, um eine ange messene Produktionsgeschwindigkeit von Ker nen zu gewährleisten.
Es können auch alle vier Kernseiten konvex ausgebildet sein, und diese Seiten können bei gewissen Kernen alle dieselbe Länge aufweisen.
Nach Erhärtung des Bindemittels wird der Kernkörper zwecks Bildung zweier U-förmi- ger Abschnitte, deren Stossflächen senkrecht zu seinen Längsseiten liegen, in einer Ebene senkrecht zu seiner Längsaxe durchschnitten. Ein unter Spannung gehaltenes Metallband wird dann um die mit ihren Stossflächen an einanderliegenden Kernkörperabschnitte < ge legt und daraus ein in gespanntem Zustand befindliches Spannband hergestellt, derart, dass die beiden Abschnitte unter gleichmässi gem Druck an den Stossfläeheii aneinander anliegen.
Das oben beschriebene Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von kleineren Kerngrössen. Bei grösseren Kernen, bei denen die Schenkel länger als die zwischen diesen liegenden Jochteile sind, ist es vorteilhaft, eine weitere Massnahme anzuwenden, welche aus Fig. 8 hervorgeht. Wenn nämlich Kerne gemäss dem in Fig. 1 v eranscliaulichten Ver fahren gewickelt werden, hat sich ergeben, dass die durch die Rollen 8, 9 hervorgerufene Biegung nicht an allen vier Kanten des Dor- nes dieselbe ist.
Wenn jede der vier Seiten des Dornes, auf den Stahlband aufgewickelt wird, wie in Fig. 1 und 6 dargestellt, mit den anliegenden Seiten einen Winkel von 90 einschliesst, so ist die Abbiegung des Stahl bandes, wenn die Mitnehmerrollen von einer Dornlängsseite auf eine Dornschmalseite ge langen, beträchtlich geringer als im umge kehrten Fall. Wenn daher die Kerne von den Dornen abgenommen werden, so haben sie das Bestreben, sich in die Form eines Rhomboids zu verziehen.
Der Grund hierzu liegt. darin, dass die bei 32 (Fig. 3) zur Einwirkung ge langenden Kräfte in zwei gegenüberliegenden Ecken grösser sind als in den beiden andern Ecken des rechtwinklig gewickelten Kernes.
Dieses Bestreben des Kernwickels, eine Form anzunehmen, in der die vier Kanten winkel verschieden gross sind, kann dadurch vermieden werden, dass beim Aufwickeln des Stahlbandes eine Dornform verwendet wird, bei welcher die Winkel an zwei der vier Kan ten, z. B. an den Kanten 61 und 62 in Fig. 8, kleiner und an den beiden andern Kanten, z. B. an den Kanten 63 und 64, grösser als 90 sind. Die Winkelbeziehung zwi schen den an diese vier Kanten angeschlos senen Seiten ist unterschiedlich für verschie dene Kerngrössen.
Gemäss Fig. 8 weist der Dorn an den Kanten 61, 62 einen spitzen Winkel von etwa 75 und an den beiden andern Kanten 63, 64 einen stumpfen Win kel von etwa 105 auf. Bei einem rechteckigen, im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Dorn tritt an den Kanten 61, 62 eine zu kleine und an den Kanten 63, 64 eine zu grosse Biegung auf. Wenn der Dorn im Querschnitt in der Form eines Rhomboids ausgebildet wird, wie aus Fig. 8 ersichtlich, so wird die Abbiegung an den Kanten 61, 62 vergrössert gegenüber der Wirkung bei einem rechtecki gen Dorn und diejenige an den Kanten 63, 64 verkleinert.
Durch eine geeignete Ausbil dung des für einen speziell zu wickelnden Kern bestimmten Dornes kann der Kern so ausgebildet werden, dass er nach Wegnahme vom Dorn eine Formänderung erleidet, der art, dass die Seiten des Kernes endgültig rechtwinklig zueinander stehen.
Aus vorstehender Beschreibung geht her vor, dass die nach dem durch Fig. 3 veran schaulichten, beschriebenen Verfahren herge stellten Kernkörper sich leicht vom Dorn lösen lassen, und dass bei ihrer Herstellung in den Windungen Spannungen erzeugt wer den, die den Kräften, die bestrebt sind, den Kern bei seiner Abnahme vom Dorn zusam- menzudrücken oder zu deformieren, das Gleichgewicht halten. Solchen Kernen woh nen daher Spannungen inne, die ihr Zusam menfallen oder Deformieren nach ihrer Weg nahme vom Dorn verhindern.