WO2016008727A1 - Kern für eine elektrische induktionseinrichtung - Google Patents

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WO2016008727A1
WO2016008727A1 PCT/EP2015/065002 EP2015065002W WO2016008727A1 WO 2016008727 A1 WO2016008727 A1 WO 2016008727A1 EP 2015065002 W EP2015065002 W EP 2015065002W WO 2016008727 A1 WO2016008727 A1 WO 2016008727A1
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laminated
laminated cores
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cores
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Jörg FINDEISEN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01F27/2455—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented using bent laminations

Definitions

  • the invention relates to a core of an electrical induction device, preferably a transformer or a reactor.
  • the state of the art is laminated from sheets (also called magnetic sheets or core sheets) layered cores, these are also called stack cores. Such cores can be performed by the To ⁇ cut differently wide sheets, graded for each individual laminated core. Furthermore, cores (also called band cores) are known in which the sheet is spool-shaped largely uninterrupted wound.
  • the material of the sheets predominantly kornorientier ⁇ tes
  • cold-rolled sheet which has a magnetic Before ⁇ feed direction in the rolling direction.
  • the heat resulting from the idling losses is dissipated at different extents to the surface along and across the layer plane. This is reflected in a mostly by the factor 6 ... 7 under defenceli ⁇ chen thermal conductivity.
  • cooling ducts are used parallel to the layer plane in the transformer construction, since these are easily inserted by inserting strips or spacers (for example
  • the invention has for its object to provide a core for an electrical induction device, which ensures better heat dissipation than previous cores.
  • the invention provides that at least one of the laminated cores is segmented and at least two Operablech- packages has the two partial laminated cores each with their sheet metal end faces, the transverse, in particular perpendicular to
  • Layer plane of the laminated sheets are opposite to each other, the sheet metal end faces of the two partial laminated cores have a distance from each other through which a perpendicular to the layer plane extending gap between the two partial laminated cores is formed and the gap forms a cooling channel or at least a portion of a cooling channel, the ⁇ sen channel length direction extending transversely, in particular perpendicularly, extending to the layer plane of the laminated sheets.
  • An essential advantage of the core according to the invention is that the described arrangement of the cooling channels or channels transverse to the layer plane of the sheets, the good heat longitudinal conductivity of the sheets for cooling the core is ⁇ exploited. As a result, it is advantageously possible to achieve a reduction in the space requirement required for the cooling and an increase in the filling factor for the core leg.
  • Another important advantage of the core of the invention lies in the fact that the formation of the core part of laminated cores described both layered sheets of individual cores as well as of magnetic tapes ge ⁇ wrapped cores suitable.
  • the width of the laminated cores is different to form steps between stacked laminated cores.
  • the number of different sheet widths in the partial laminated cores is preferably at most one third of the number of stages. Particularly preferably, the number nieommeli ⁇ cher sheet widths in the partial laminated cores maximum of three.
  • the sheet widths in the partial laminated cores are preferably identical.
  • At least two stacked laminated cores have an identical number of equally wide partial laminated cores, but are still different widths, wherein in the wider laminated core at least two partial laminated cores are separated by the or one of the cooling ⁇ channels.
  • a particularly preferred embodiment provides that viewed from the inside to the outside, the core alternately has a first-type Blechpa ⁇ ket and a laminated core of the second kind, wherein in a laminated core of the first kind at least two Partblechpake ⁇ te, preferably all GeneralblechMPe, are separated by a gap or cooling channel, and wherein at a laminated core of the second kind at least two partial laminated cores, preferably all partial laminated cores lie without gaps on each other.
  • Laminated cores of the first and second type have the same number of equally wide partial laminated cores.
  • the sheets are ge ⁇ forms an amorphous strip material by a Phynwandi ⁇ ges strip material, preferably sheet metal, and the packages are each wound from this strip mate rial ⁇ .
  • At least one cooling channel is preferably additionally present whose channel longitudinal direction extends parallel to the layer plane of the laminated sheets.
  • Sheet metal packages are bent in sections, wherein the Biegera ⁇ dien at least two superposed laminations are selected such that in the bending region between these laminations, a cavity, preferably in the form of a arcuate gap is formed, wherein the cavity with one of
  • the width of the widest partial laminated core is preferably an integer multiple of the narrowest partial laminated core.
  • Tension bands are preferably used for the mechanical stabilization. Accordingly, it is provided in a further preferred embodiment of the core that the wound
  • tensioning straps are so attached ⁇ arranged on the laminated cores, that they in their position in each case to the clamping band adjacent partial laminated core are offset and are so ⁇ staltet that forms a cooling channel in the space between the Operablechpa ⁇ keten.
  • preference ⁇ as straps are used metallic non-magnetic material.
  • Core of cores made of amorphous or nanocrystalline strip material as the use of round short-circuit resistant windings is possible.
  • windings with circular coils which are placed on the limbs of the core are preferred for transformers and chokes.
  • the cross-section of the limb is preferably stepped several times.
  • a further advantageous embodiment of the core provides for the formation of core stages from the laminated cores and thus an approximation to the circular shape of the winding when using core sheets only one or less sheet widths. At the same time the formation of effective and space-saving cooling channels is made possible.
  • the preferred core configurations are also suitable for cores of electrical induction devices which operate in the high-frequency range, since the above-mentioned advantages due to the frequency dependence of the magnetic reversal losses in these preferably come into effect and the application even with relatively small benefits offers economic benefits.
  • the bending radii of the wound partial laminated core of a composite core are each selected such that in each case a gap is formed for the circulation of a cooling fluid in the arc between leg and yoke.
  • the lower sheet for receiving the cooling fluid which flows transversely to the winding direction, distributed within the arc on the cooling channels between the part ⁇ blechMultien, then ascend by the heating and exit at the top bow between leg and yoke again.
  • the core 1 shows an embodiment of a core 1 for a non-illustrated electromagnetic induction device.
  • the core 1 consists of several plate packages 2, which are each formed by laminated sheets 11 of magnetic sierbarem material, wherein the lamination stacks are pa rallel ⁇ to the layer plane of the laminated sheets 11 to each other.
  • the sheet ⁇ packets 2 is segmented and has a plurality of partial laminated cores 3.
  • the partial laminated cores 3 are at least partially arranged zuei ⁇ nander that results in a gap at the junction between the sheet metal end faces 3a of the partial laminated cores, which is dimensioned such that the flow of a coolant allows and a cooling channel 4 is formed.
  • neutral planes with the highest temperature are established, which are each perpendicular to the direction of the considered heat flow and intersect the package axes. Starting from them, the core temperature drops parabolic down to the core surface to drop there within the flow zone of the coolant to the amount of oil temperature.
  • the heat flux density at the core surface is largely dependent on the internal heat resistance ⁇ standing of the body. This is significantly smaller in the layer plane than across it. The losses, however, are largely evenly distributed on the sheet metal body. With the cooling channels 4 perpendicular to the layer plane thus ei ⁇ ne particularly effective cooling can be achieved. By thus possible reduction of the cross-section requirement forharika- ducts 4 can be, he aimed ⁇ an increase in the fill factor of the iron ⁇ circle and thus a reduction in the core cross section.
  • the total width of the individual laminated cores 2 is determined by the number of partial laminated cores 3.
  • the height of the laminated cores 2 is adjusted by the number of layered sheets 11.
  • a stepped core is formed by appropriately selecting the aforementioned parameters ⁇ Pa. Inmittedsbei ⁇ game according to Figure 1, all core laminations 2 of core sheet metal stiffeners or partial laminated cores 3 of the same width are formed.
  • the partial laminated ⁇ packages 3 are each disposed alternately with or without a gap, ie, with or without cooling channels between the sub-sheet packs 3. This results in a different overall width of the laminations 2 forming the steps of the core 1.
  • every second sheet package has cooling channels 4, so that the stage number is doubled again, without additional plate widths required ⁇ the. In this way it is possible to achieve extensive Anache ⁇ tion of a core leg of a circular shape. So- With the use of round windings with high filling factor of the core is possible without the use of a variety of different sheet widths.
  • 2 shows a top view of the sectional view of a layered sheets of magnetic leg 6 of a white ⁇ more advanced embodiment of a core 1.
  • the legs 6 and, connected to this yoke 7 are stacked in individual sheets inipposbei ⁇ game.
  • the individual sheets form in the transition region between the leg and yoke joints, which are offset in layers against each other and form a Verzap ⁇ tion.
  • the illustrated arrangement of the cooling channels 4 along the cut edges of the sheets 11 not only a good heat ⁇ conductivity of the sheets 11 is used transversely to the layer plane, but it can continue to use targeted cooling channels in the thermally highly stressed areas of the core.
  • the embodiment according to Figure 2 which is forming the laminated core with three cooling passages 4 and the second core stage provide the mittle ⁇ re core stage with a single cooling channel. 4 Cooling channels in the already well cooled edge layers of the core 1 can be omitted, and a further increase in the filling factor of the core 1 is possible.
  • the width of the largest partial laminated core 3 is a multiple of the smallest width of a partial laminated core. Due to the aforementioned formation of multiples of the width of the partial laminated cores 3, the formation of connections between the cooling channels 4 of the successive laminated cores is simplified.
  • all stages are provided with cooling channels 4, which are interconnected such that a cooling medium transverse to the laminar
  • Layer direction of the sheets 11.1 and 11.2 can flow.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment
  • the laminated sheets 11 of the laminated cores 2 are formed by means of egg ⁇ nes wound strip material.
  • This embodiment tet bending, for example, for sheets having a magnetic preference direction ⁇ , since the sheet is used in tape form and can be wound without interruption.
  • the individual turns of the ribbon core are separated so staggered that in each case only one point of application lies in the magnetic circuit.
  • ge ⁇ is this wound core design is for the use of bands of amorphous core material or strips of nanocrystalline metals.
  • the layering of the winding layers is shown in FIG.
  • the strip material is continuous, each comprising two legs 6 and the yokes 7, wound. Due to the composition of the middle laminated core from each Operablechpake ⁇ th 3 creates a stepped core, which is adapted to the circular shape 8.
  • the laminated cores which form the central core stage, each provided with transversely to the layer plane angeord ⁇ Neten cooling channels 4.
  • 5 shows a three-dimensional sectional view of the wound from strip material three-limb core according Fi ⁇ gur 4.
  • the tape material is to form the - as described above - designed cooling channels 4 each ketene in Sectionblechpa- 3, which form respective corresponding legs 6 and Jochab ⁇ sections 7 wound all around.
  • the cooling channels 4 of the core legs 6 are continued in the yokes 7 of the core.
  • 6 shows the full view of an embodiment of the active part of a three-phase transformer, which is equipped with a core 1 provided with cooling channels 43. On the legs 6 windings 9 of the three-phase transformer are arranged in the embodiment.
  • the partial laminated cores of the core 1 are formed in the embodiment of amorphous band ⁇ material.
  • FIG. 7 shows a sectional view of the exemplary embodiment shown in FIG. 6 in greater detail.
  • the bending radius 17 of the successive been ⁇ disposed laminate stack 3 of a composite core 1 are each selected such that, in the arc between the leg 6 and the yoke in each case an arc-shaped gap 23, and thus a cooling channel 43 is formed for circulating a cooling fluid. 7
  • FIG. 8 shows a section through the leg 6 of a further exemplary embodiment of a core 1, in which the partial laminated cores 3 of the sheet metal collets 2 are produced by means of a wound strip material.
  • the seven-stage core shown in the example uses only plates 11 of a single bandwidth to form the steps.
  • the lower yoke 7 of the core 1 in Vollan ⁇ view can be seen.
  • the strip material is continuous, each comprising two legs 6 and the yokes 7, wound.
  • FIG. 9 shows the core 1 according to FIG. 8 in a three-dimensional view obliquely from the side.
  • FIG. 10 shows a sectional view through the axis of the middle limb of a further exemplary embodiment of a three-limb core parallel to the plane of the core band. Between the partial laminated cores 3 of the leg 6 verti ⁇ le cooling channels 4 are arranged.
  • the Wickelra ⁇ serving 17 of the laminated-core assemblies 3 of the core 1 are respectively so selected such that in the sheet between the leg 6 and the yoke in each case an arc-shaped gap 23 is formed to form a cooling channel 43 for circulation of coolant. 7
  • This arc ⁇ shaped gap 23 is connected to the cooling channels 4 between the part of laminated cores. 3
  • the lower sheet for receiving the coolant which flows transversely to the winding direction, is distributed within the arc on the cooling channels 43 between the bands to then ascend by the heating and exit at the upper arc between leg 6 and yoke 7 again.
  • Figure 11 shows a partial view of the leg-yoke transition of the embodiment described in Figure 10 in more detail.
  • Figure 12 shows the front view of an exemplary embodiment with wound tape core made of amorphous material, wherein said laminated cores disposed radially to each other are spaced 2 by means of inserts 48 to each other such that a cooling channel 42 for supply of the cooling channels (not visible) arranged in parallel between the mutually Particle packages is formed.
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment of the means ⁇ leg 6 of a three-phase transformer acids containing several, the inner leg 6 with a adjacent leg magnetic ⁇ table verkoppelnden partial laminated packages. It can be seen in the region of the associated with the yoke 7 leg 6 radial cooling channels 42 between the partial laminated cores.
  • clamping bands 52 which include the partial laminated cores at the periphery. These can be arranged both transversely and longitudinally to the winding direction. In the embodiment according to FIG. 13, the arrangement is longitudinal, ie parallel to the winding direction.
  • the tension straps 52 are preferably positioned in the transverse direction in such a way on the partial laminated cores that they are offset in their position in each case to the clamping band of the adjacent partial laminated core and the space between the partial laminated cores forms a cooling channel.
  • FIG. 14 shows a three-dimensional view of the three- leg core according to FIG. 13.
  • FIGS. 15 and 16 show an exemplary embodiment of a five-limb core.
  • the core is preferably formed from wound partial laminated cores of a strip material.
  • the three inner legs are provided for the assembly of windings, while the outer as the return leg ⁇ nen.
  • the cores are made of wound segments of preferably amorphous strip material.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kern (1) für eine elektrische Induktionseinrichtung mit einer Vielzahl an Blechpaketen (2), die jeweils durch laminierte Bleche (11, 11.1, 11.2) gebildet sind, wobei die Blechpakete (2) parallel zur Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) aufeinander liegen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eines der Blechpakete (2) segmentiert ist und zumindest zwei Teilblechpakete (3) aufweist, die zwei Teilblechpakete (3) jeweils mit ihren Blechstirnseiten (3a), die quer, insbesondere senkrecht, zur Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) stehen, einander gegenüber liegen, die Blechstirnseiten (3a) der zwei Teilblechpakete (3) einen Abstand zueinander aufweisen, durch den ein sich senkrecht zur Schichtebene erstreckender Spalt zwischen den zwei Teilblechpaketen (3) gebildet wird und der Spalt einen Kühlkanal (4) oder zumindest einen Abschnitt eines Kühlkanals (4) bildet, dessen Kanallängsrichtung sich quer, insbesondere senkrecht, zur Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) erstreckt.

Description

Beschreibung
Kern für eine elektrische Induktionseinrichtung Die Erfindung betrifft einen Kern einer elektrischen Induktionseinrichtung, vorzugsweise eines Transformators oder einer Drossel .
Stand der Technik sind laminar aus Blechen (auch Magnetbleche oder Kernbleche genannt) geschichtete Kerne, diese werden auch Stapelkerne genannt. Solche Kerne können durch den Zu¬ schnitt unterschiedlich breiter Bleche, für jedes einzelne Blechpaket gestuft, ausgeführt werden. Weiterhin sind Kerne (auch Bandkerne genannt) bekannt, bei welchen das Blech spu- lenförmig weitgehend unterbrechungsfrei aufgewickelt wird.
Als Werkstoff für die Bleche wird vorwiegend kornorientier¬ tes, kaltgewalztes Blech verwendet, das eine magnetische Vor¬ zugsrichtung in Walzrichtung besitzt. Durch die Schichtung des Kerns aus diesen kornorientierten Blechen wird die von den LeerlaufVerlusten herrührende Wärme längs und quer zur Schichtebene unterschiedlich stark zur Oberfläche abgeleitet. Dies kommt in einer zumeist um den Faktor 6 ...7 unterschiedli¬ chen Wärmeleitfähigkeit zum Ausdruck.
Derzeit werden im Transformatorenbau Kühlkanäle parallel zur Schichtebene eingesetzt, da sich diese leicht durch Einlegen von Leisten oder Distanzkörpern (zum Beispiel
Keramikscheiben) bilden lassen. Nachteilig bei dieser Kühlka- nalbildung ist, dass die Anordnung der Kühlkanäle die günsti¬ ge Wärmeleitung parallel zur Schichtrichtung der Bleche nicht ausnutzen kann.
Auch sind spezielle externe Kühlflächen zum Kühlen von Kernen bekannt; solche sind beispielsweise in der deutschen Patent¬ schrift DE 35 05 120 beschrieben. Zur weiteren Verringerung der Leerlauf erluste kommen bei Verteilertransformatoren heutzutage verstärkt amorphe Kernmaterialien zum Einsatz. Der Stand der Technik bezüglich des Einsatzes amorphen Kernmaterials ist beispielsweise in der europäischen Offenlegungsschrift EP 2 474 985 und der
japanischen Offenlegungsschrift JP 2010 289 858 beschrieben.
Auf Grund der hohen Materialkosten für amorphe Kernmateria¬ lien, die schwierige Verarbeitung sowie die eingeschränkten Gestaltungsmöglichkeiten haben sich amorphe Materialien, insbesondere bei größeren Leistungstransformatoren, jedoch bis heute noch nicht durchsetzen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kern für eine elektrische Induktionseinrichtung anzugeben, der eine bessere Wärmeabfuhr gewährleistet als bisherige Kerne.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kern mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungen des erfindungsgemäßen Kernes sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eines der Blechpakete segmentiert ist und zumindest zwei Teilblech- pakete aufweist, die zwei Teilblechpakete jeweils mit ihren Blechstirnseiten, die quer, insbesondere senkrecht, zur
Schichtebene der laminierten Bleche stehen, einander gegenüber liegen, die Blechstirnseiten der zwei Teilblechpakete einen Abstand zueinander aufweisen, durch den ein sich senk- recht zur Schichtebene erstreckender Spalt zwischen den zwei Teilblechpaketen gebildet wird und der Spalt einen Kühlkanal oder zumindest einen Abschnitt eines Kühlkanals bildet, des¬ sen Kanallängsrichtung sich quer, insbesondere senkrecht, zur Schichtebene der laminierten Bleche erstreckt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kernes besteht darin, dass durch die beschriebene Anordnung des oder der Kühlkanäle quer zur Schichtebene der Bleche die gute Wärme- längsleitfähigkeit der Bleche zur Kühlung des Kernes ausge¬ nutzt wird. Dies führt dazu, dass sich in vorteilhafter Weise eine Reduzierung des für die Kühlung benötigten Raumbedarfs und eine Erhöhung des Füllfaktors für den Kernschenkel errei- chen lässt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kernes ist darin zu sehen, dass sich die beschriebene Bildung des Kernes aus Teilblechpaketen sowohl für aus Einzelblechen geschichtete Kerne als auch für aus magnetischen Bändern ge¬ wickelte Kerne eignet.
Vorzugsweise ist die Breite der Blechpakete unter Bildung von Stufen zwischen aufeinander liegenden Blechpaketen unter- schiedlich.
Vorteilhaft ist es, wenn durch die Stufenbildung der Querschnitt des Kernes zumindest abschnittsweise an einen kreis¬ förmigen Querschnitt angepasst ist.
Die Anzahl unterschiedlicher Blechbreiten in den Teilblechpaketen beträgt bevorzugt maximal ein Drittel der Anzahl an Stufen. Besonders bevorzugt beträgt die Anzahl unterschiedli¬ cher Blechbreiten in den Teilblechpaketen maximal drei.
Die Blechbreiten in den Teilblechpaketen sind vorzugsweise identisch .
Als vorteilhaft wird es auch angesehen, wenn zumindest zwei aufeinander liegende Blechpakete eine identische Anzahl an gleich breiten Teilblechpaketen aufweisen, aber dennoch unterschiedlich breit sind, wobei bei dem breiteren Blechpaket zumindest zwei Teilblechpakete durch den oder einen der Kühl¬ kanäle voneinander getrennt sind.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Kern von innen nach außen betrachtet abwechselnd ein Blechpa¬ ket erster Art und ein Blechpaket zweiter Art aufweist, wobei bei einem Blechpaket erster Art zumindest zwei Teilblechpake¬ te, vorzugsweise alle Teilblechpakete, durch einen Spalt oder Kühlkanal voneinander getrennt sind, und wobei bei einem Blechpaket zweiter Art zumindest zwei Teilblechpakete, vor- zugsweise alle Teilblechpakete, spaltfrei aufeinander liegen.
Vorzugsweise weisen zumindest zwei aufeinander liegende
Blechpakete erster und zweiter Art dieselbe Anzahl an gleich breiten Teilblechpaketen auf.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Bleche durch ein dünnwandi¬ ges Bandmaterial, vorzugsweise ein amorphes Bandmaterial ge¬ bildet sind, und die Blechpakete jeweils aus diesem Bandmate¬ rial gewickelt sind.
Zur weiteren Kühlung ist vorzugsweise zusätzlich zumindest ein Kühlkanal vorhanden, dessen Kanallängsrichtung sich parallel zur Schichtebene der laminierten Bleche erstreckt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die
Blechpakete abschnittsweise gebogen sind, wobei die Biegera¬ dien zumindest zweier aufeinander liegender Blechpakete derart gewählt sind, dass im Biegebereich zwischen diesen Blechpaketen ein Hohlraum, vorzugsweise in Form eines bogenförmi- gen Spalts, gebildet wird, wobei der Hohlraum mit einem der
Kühlkanäle oder allen Kühlkanälen in Verbindung steht und ein Einspeisen eines Kühlmittels durch den Hohlraum hindurch in den oder die Kühlkanäle ermöglicht. Die Breite des breitesten Teilblechpaketes beträgt bevorzugt ein ganzzahliges Vielfaches des schmälsten Teilblechpaketes.
Für die mechanische Stabilisierung kommen bevorzugt Spannbänder zum Einsatz. Demgemäß ist bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Kernes vorgesehen, dass die gewickelten
Teilblechpakete mittels Spannbändern stabilisiert und fixiert sind, wobei die Spannbänder derart auf den Blechpaketen ange¬ ordnet sind, dass sie in ihrer Lage jeweils zum Spannband des benachbarten Teilblechpaketes versetzt sind und derart ge¬ staltet sind, dass sich in dem Raum zwischen den Teilblechpa¬ keten ein Kühlkanal bildet. Aus Kostengründen werden vorzugs¬ weise Spannbänder aus metallischem unmagnetischem Material eingesetzt.
Bei Einsatz des Kernes in Drosseln können Luftspalteinlagen vorgesehen werden, die mit dem Kernmaterial verklebt werden. Besonders vorteilhaft ist die oben beschriebene Stufung des
Kerns bei Kernen aus amorphem oder nanokristallinem Bandmaterial, da die Verwendung runder kurzschlussfester Wicklungen ermöglicht wird. Um die bei Kurzschluss auftretenden radialen Wicklungskräfte einfach zu beherrschen, werden für Transformatoren und Drosseln vorzugsweise Wicklungen mit kreisförmigen Spulen bevorzugt, welche auf die Schenkel des Kernes aufgesetzt werden. Um für den Kernschenkel einen hohen Füllfaktor (optimale Füllung des kreisförmigen Querschnittes der Wicklung mit magnetischem Material) zu erreichen, wird der Querschnitt des Schenkels vorzugsweise mehrfach abgestuft. Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Kernes sieht die Bildung von Kernstufen aus den Blechpaketen und damit eine Annäherung an die Kreisform der Wicklung bei Einsatz von Kernblechen nur einer oder weniger Blechbreiten vor. Gleichzeitig wird die Bildung von effektiven und raumsparenden Kühlkanälen ermöglicht.
Wie sich den obigen Erläuterungen entnehmen lässt, sind die bevorzugten Kernausgestaltungen auch für Kerne von elektrischen Induktionseinrichtungen geeignet, welche im Hochfre- quenzbereich arbeiten, da die oben angegebenen Vorteile auf Grund der Frequenzabhängigkeit der Ummagnetisierungsverluste bei diesen bevorzugt zur Geltung kommen und die Anwendung auch bei relativ kleinen Leistungen wirtschaftliche Vorteile bietet .
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Biegeradien der gewickelten Teilblechpakete eines zusammengesetzten Kernes jeweils derart gewählt, dass im Bogen zwischen Schenkel und Joch jeweils ein Spalt zur Zirkulation eines Kühlfluides gebildet wird. Dabei dient der untere Bogen zur Aufnahme des Kühlfluides, welches quer zur Wickelrichtung einströmt, sich innerhalb des Bogens auf die Kühlkanäle zwischen den Teil¬ blechpaketen verteilt, um dann durch die Erwärmung aufzusteigen und am oberen Bogen zwischen Schenkel und Joch wieder auszutreten . Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, diese sind in den Figuren 1 bis 16 näher dargestellt.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische - oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Kern 1 für eine nicht weiter dargestellte elektromagnetische Induk- tionseinrichtung . Der Kern 1 besteht aus mehreren Blechpaketen 2, welche jeweils durch laminierte Bleche 11 aus magneti- sierbarem Material gebildet sind, wobei die Blechpakete pa¬ rallel zur Schichtebene der laminierten Bleche 11 aufeinander liegen .
Bei dem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Teil der Blech¬ pakete 2 segmentiert und weist mehrere Teilblechpakete 3 auf. Die Teilblechpakete 3 werden zumindest teilweise derart zuei¬ nander angeordnet, dass sich an der Stoßstelle zwischen den Blechstirnseiten 3a der Teilblechpakete ein Spalt ergibt, welcher derart dimensioniert wird, dass die Strömung eines Kühlmittels ermöglicht und ein Kühlkanal 4 gebildet wird. Bei einem Blechpaket mit rechteckigem Querschnitt stellen sich neutrale Ebenen mit der höchsten Temperatur ein, die jeweils senkrecht zur Richtung des betrachteten Wärmeflusses stehen und die Paketachsen schneiden. Von ihnen ausgehend sinkt die Kerntemperatur parabelförmig bis zur Kernoberfläche, um dort innerhalb der Strömungszone des Kühlmittels auf den Betrag der Öltemperatur abzufallen. Die Wärmestromdichte an der Kernoberfläche ist weitgehend vom inneren Wärmewider¬ stand des Körpers abhängig. Dieser ist in der Schichtebene bedeutend kleiner als quer dazu. Die Verluste hingegen sind weitgehend gleichmäßig auf den Blechkörper verteilt. Mit den Kühlkanälen 4 senkrecht zur Schichtebene lässt sich somit ei¬ ne besonders effektive Kühlung erreichen. Durch die folglich mögliche Reduzierung des Querschnittsbedarfs für die Kühlka- näle 4 lässt sich eine Erhöhung des Füllfaktors des Eisen¬ kreises und damit eine Reduzierung des Kernquerschnittes er¬ zielen .
Durch die Anzahl der Teilblechpakete 3 wird jeweils die Ge- samtbreite der einzelnen Blechpakete 2 bestimmt. Die Höhe der Blechpakete 2 wird durch die Anzahl der geschichteten Bleche 11 eingestellt. Durch entsprechende Auswahl der genannten Pa¬ rameter wird ein gestufter Kern gebildet. Im Ausführungsbei¬ spiel gemäß Figur 1 werden alle Kernblechpakete 2 aus Kern- blechsteifen bzw. Teilblechpaketen 3 der gleichen Breite gebildet .
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die Teilblech¬ pakete 3 jeweils abwechselnd mit oder ohne Spalt, also mit oder ohne Kühlkanälen zwischen den Teilblechpaketen 3, angeordnet. Damit ergibt sich eine unterschiedliche Gesamtbreite der die Stufen des Kernes 1 bildenden Blechpakete 2.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 hat jedes zweite Blechpaket Kühlkanäle 4, so dass sich die Stufenzahl nochmals verdoppelt, ohne dass zusätzliche Blechbreiten benötigt wer¬ den. Auf diese Weise ist es möglich, eine weitgehende Annähe¬ rung eines Kernschenkels an eine Kreisform zu erreichen. So- mit wird der Einsatz runder Wicklungen bei gleichzeitig hohem Füllfaktor des Kernes ohne die Nutzung einer Vielzahl verschiedener Blechbreiten möglich. Die Figur 2 zeigt in einer Draufsicht die Schnittdarstellung eines aus Magnetblechen geschichteten Schenkels 6 eines wei¬ teren Ausführungsbeispiels für einen Kern 1. Der Schenkel 6 und ein mit diesem verbundenes Joch 7 sind im Ausführungsbei¬ spiel aus Einzelblechen gestapelt. Die Einzelbleche bilden im Übergangsbereich zwischen Schenkel und Joch Stoßstellen, welche schichtweise gegeneinander versetzt sind und eine Verzap¬ fung bilden.
Durch die dargestellte Segmentierung der Blechpakete 2 in Teilblechpakte 3 und die damit mögliche Anordnung der Kühlka¬ näle 4 an den Schnittkanten des Bleches wird die Nutzung der hohen thermischen Längsleitfähigkeit der Bleche 11 möglich.
Durch die dargestellte Anordnung der Kühlkanäle 4 längs der Schnittkanten der Bleche 11 wird nicht nur eine gute Wärme¬ leitfähigkeit der Bleche 11 quer zur Schichtebene ausgenutzt, sondern es lassen sich weiterhin Kühlkanäle gezielt in den thermisch hochbeanspruchten Bereichen des Kernes einsetzen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist das die mittle¬ re Kernstufe bildende Blechpaket mit drei Kühlkanälen 4 und die zweite Kernstufe mit einem einzigen Kühlkanal 4 versehen. Kühlkanäle in den ohnehin gut gekühlten Randlagen des Kernes 1 können entfallen, und eine weitere Erhöhung des Füllfaktors des Kernes 1 wird möglich.
Die Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ein fünfstufiger Kern 1 unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Breiten für die Bleche 11.1 und 11.2 der Teil- blechpakete 3 ausgeführt wird. Dadurch lässt sich mit nur zwei verschiedenen Blechbreiten des Kernmaterials ein feingestufter Kern hoher Stufenzahl bilden. In der in der Figur 3 dargestellten Ausführungsform bildet die Breite des größten Teilblechpaketes 3 ein Vielfaches der kleinsten Breite eines Teilblechpaketes. Durch die genannte Bildung von Vielfachen der Breite der Teilblechpakete 3 wird die Bildung von Verbindungen zwischen den Kühlkanälen 4 der aufeinander folgenden Blechpakete vereinfacht. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind durch diese Gestaltung alle Stufen mit Kühlkanälen 4 versehen, welche derart miteinander verbunden sind, dass ein Kühlmedium quer zur laminaren
Schichtrichtung der Bleche 11.1 bzw. 11.2 strömen kann.
Die Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel; bei diesem sind die laminierten Bleche 11 der Blechpakete 2 mittels ei¬ nes gewickelten Bandmaterials gebildet. Diese Ausführung bie- tet sich beispielsweise für Bleche mit magnetischer Vorzugs¬ richtung an, da das Blech in Bandform bezogen wird und unterbrechungsfrei gewickelt werden kann. Um die elektrischen Wicklungen aufzusetzen, werden die einzelnen Windungen des Bandkernes so versetzt aufgetrennt, dass im magnetischen Kreis jeweils nur eine Verzapfungsstelle liegt. Besonders ge¬ eignet ist diese gewickelte Kernausführung für die Nutzung von Bändern aus amorphem Kernmaterial oder Bändern aus nano- kristallinen Metallen. Die Schichtung der Wickellagen ist in der Figur 4 in der
Schnittdarstellung des Schenkels 6 dargestellt. Man sieht, dass hier nur Bandmaterial einer Breite zum Einsatz kommt. Das Bandmaterial ist fortlaufend, jeweils zwei Schenkel 6 und die Joche 7 umfassend, gewickelt. Durch die Zusammensetzung der mittleren Blechpakete aus jeweils mehreren Teilblechpake¬ ten 3 entsteht ein gestufter Kern, welcher der Kreisform 8 angepasst ist.
Wie ersichtlich, sind die Blechpakete, welche die mittlere Kernstufe bilden, mit jeweils quer zur Schichtebene angeord¬ neten Kühlkanälen 4 versehen. Die Figur 5 zeigt eine dreidimensionale Schnittdarstellung des aus Bandmaterial gewickelten Dreischenkelkernes gemäß Fi¬ gur 4. Das Bandmaterial ist unter Bildung der - wie oben beschrieben - gestalteten Kühlkanäle 4 jeweils in Teilblechpa- keten 3, welche jeweils entsprechende Schenkel 6 und Jochab¬ schnitte 7 bilden, umlaufend gewickelt. Im Ausführungsbei¬ spiel gemäß Figur 5 werden die Kühlkanäle 4 der Kernschenkel 6 in den Jochen 7 des Kernes fortgeführt. Die Figur 6 zeigt die Vollansicht eines Ausführungsbeispiels für den Aktivteil eines Dreiphasentransformators, welcher mit einem mit Kühlkanälen 43 versehenen Kern 1 ausgestattet ist. Auf den Schenkeln 6 sind im Ausführungsbeispiel Wicklungen 9 des Dreiphasentransformators angeordnet. Die Teilblechpakete des Kerns 1 werden im Ausführungsbeispiel aus amorphem Band¬ material gebildet.
Die Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung des in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiels näher im Detail. Bei dem Ausfüh- rungsbeispiel sind die Biegeradien 17 der aufeinander ange¬ ordneten Teilblechpakete 3 eines zusammengesetzten Kernes 1 jeweils derart gewählt, dass im Bogen zwischen Schenkel 6 und Joch 7 jeweils ein bogenförmiger Spalt 23 und damit ein Kühlkanal 43 zur Zirkulation eines Kühlfluides gebildet wird.
Die Figur 8 zeigt einen Schnitt durch den Schenkel 6 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen Kern 1, bei dem die Teilblechpakete 3 der Blechpakte 2 mittels eines gewickelten Bandmaterials hergestellt werden. Der im Beispiel dargestell- te siebenstufige Kern nutzt zur Bildung der Stufen lediglich Bleche 11 einer einzigen Bandbreite.
Im Hintergrund ist das untere Joch 7 des Kernes 1 in Vollan¬ sicht zu sehen. Das Bandmaterial ist fortlaufend, jeweils zwei Schenkel 6 und die Joche 7 umfassend, gewickelt.
Die Figur 9 zeigt den Kern 1 gemäß Figur 8 in einer dreidimensionalen Sicht schräg von der Seite. Die Figur 10 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Achse des Mittelschenkels eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen Dreischenkelkern parallel zur Ebene des Kernbandes. Zwischen den Teilblechpaketen 3 des Schenkels 6 sind vertika¬ le Kühlkanäle 4 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10 sind die Wickelra¬ dien 17 der Teilblechpakete 3 des Kernes 1 jeweils derart ge- wählt, dass im Bogen zwischen Schenkel 6 und Joch 7 jeweils ein bogenförmiger Spalt 23 zur Bildung eines Kühlkanals 43 zur Zirkulation des Kühlmittels gebildet wird. Dieser bogen¬ förmige Spalt 23 ist mit den Kühlkanälen 4 zwischen den Teilblechpaketen 3 verbunden. Dabei dient der untere Bogen zur Aufnahme des Kühlmittels, welches quer zur Wickelrichtung einströmt, sich innerhalb des Bogens auf die Kühlkanäle 43 zwischen den Bändern verteilt, um dann durch die Erwärmung aufzusteigen und am oberen Bogen zwischen Schenkel 6 und Joch 7 wieder auszutreten.
Die Figur 11 zeigt eine Teilansicht des Schenkel-Joch- Übergangs des in Figur 10 beschriebenen Ausführungsbeispiels näher im Detail. Die Figur 12 zeigt die Vorderansicht eines Ausführungsbei¬ spiels mit gewickeltem Bandkern aus amorphem Material, bei dem die radial aufeinander befindlichen Blechpakete 2 mittels Beilagen 48 derart zueinander beabstandet sind, dass ein Kühlkanal 42 zur Versorgung der Kühlkanäle (nicht sichtbar) zwischen den parallel zueinander angeordneten Teilblechpaketen gebildet wird.
Die Figur 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Mittel¬ schenkel 6 eines Dreiphasentransformators mit jeweils mehre- ren, den Mittelschenkel 6 mit einem Nachbarschenkel magne¬ tisch verkoppelnden Teilblechpaketen. Man erkennt im Bereich des mit dem Joch 7 in Verbindung stehenden Schenkels 6 radiale Kühlkanäle 42 zwischen den Teilblechpaketen. Für die me- chanische Stabilisierung kommen Spannbänder 52 zum Einsatz, welche die Teilblechpakete am Umfang umfassen. Diese können sowohl quer als auch längs zur Wickelrichtung angeordnet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 13 erfolgt die Anordnung längs, also parallel zur Wickelrichtung.
Die Spannbänder 52 werden in Querrichtung vorzugsweise derart auf den Teilblechpaketen positioniert, dass sie in ihrer Lage jeweils zum Spannband des benachbarten Teilblechpaketes ver- setzt sind und der Raum zwischen den Teilblechpaketen einen Kühlkanal bildet.
Die Figur 14 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Drei¬ schenkelkernes gemäß Figur 13.
Die Figuren 15 und 16 zeigen ein Ausführungsbeispiel für ei¬ nen Fünfschenkelkern . Dabei wird der Kern vorzugsweise aus gewickelten Teilblechpaketen eines Bandmaterials gebildet. Die drei inneren Schenkel sind zur Montage von Wicklungen vorgesehen, während die äußeren als Rückschlussschenkel die¬ nen. Auch hier sind die Kerne aus gewickelten Segmenten aus vorzugsweise amorphem Bandmaterial gebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Kern (1) für eine elektrische Induktionseinrichtung mit einer Vielzahl an Blechpaketen (2), die jeweils durch lami- nierte Bleche (11, 11.1, 11.2) gebildet sind, wobei die
Blechpakete (2) parallel zur Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) aufeinander liegen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zumindest eines der Blechpakete (2) segmentiert ist und zumindest zwei Teilblechpakete (3) aufweist,
- die zwei Teilblechpakete (3) jeweils mit ihren Blechstirn¬ seiten (3a) , die quer, insbesondere senkrecht, zur
Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) ste¬ hen, einander gegenüber liegen,
- die Blechstirnseiten (3a) der zwei Teilblechpakete (3) ei¬ nen Abstand zueinander aufweisen, durch den ein sich senkrecht zur Schichtebene erstreckender Spalt zwischen den zwei Teilblechpaketen (3) gebildet wird und
- der Spalt einen Kühlkanal (4) oder zumindest einen Ab- schnitt eines Kühlkanals (4) bildet, dessen Kanallängs¬ richtung sich quer, insbesondere senkrecht, zur Schicht¬ ebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) erstreckt.
2. Kern (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Breite der Blechpakete (2) unter Bildung von Stufen zwischen aufeinander liegenden Blechpaketen (2) unterschiedlich ist .
3. Kern (1) nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
durch die Stufenbildung der Querschnitt des Kernes (1) zumindest abschnittsweise an einen kreisförmigen Querschnitt ange- passt ist.
4. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche 2-3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Anzahl unterschiedlicher Blechbreiten in den Teilblechpaketen (3) maximal ein Drittel der Anzahl an Stufen beträgt.
5. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Anzahl unterschiedlicher Blechbreiten in den Teilblechpaketen (3) maximal drei beträgt.
6. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Blechbreiten in den Teilblechpaketen (3) identisch sind.
7. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- zumindest zwei aufeinander liegende Blechpakete (2) eine identische Anzahl an gleich breiten Teilblechpaketen (3) aufweisen, aber dennoch unterschiedlich breit sind,
- wobei bei dem breiteren Blechpaket (2) zumindest zwei
Teilblechpakete (3) durch den oder einen der Kühlkanäle (4) voneinander getrennt sind.
8. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Kern (1) von innen nach außen betrachtet abwechselnd ein Blechpaket erster Art und ein Blechpaket zweiter Art aufweist,
- wobei bei einem Blechpaket erster Art zumindest zwei Teil¬ blechpakete (3) , vorzugsweise alle Teilblechpakete (3) , durch einen Spalt oder Kühlkanal (4) voneinander getrennt sind, und
- wobei bei einem Blechpaket zweiter Art zumindest zwei
Teilblechpakete (3) , vorzugsweise alle Teilblechpakete (3), spaltfrei aufeinander liegen.
9. Kern (1) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest zwei aufeinander liegende Blechpakete (2) erster und zweiter Art dieselbe Anzahl an gleich breiten Teilblechpaketen (3) aufweisen.
10. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Bleche (11, 11.1, 11.2) durch ein dünnwandiges Bandma¬ terial, vorzugsweise ein amorphes Bandmaterial gebildet sind, und
- die Blechpakete (2) jeweils aus diesem Bandmaterial gewi¬ ckelt sind.
11. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zusätzlich zumindest ein Kühlkanal (4) vorhanden ist, dessen Kanallängsrichtung sich parallel zur Schichtebene der laminierten Bleche (11, 11.1, 11.2) erstreckt.
12. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Blechpakete (2) abschnittsweise gebogen sind, wobei die Biegeradien zumindest zweier aufeinander liegender Blechpakete (2) derart gewählt sind, dass im Biegebereich zwischen diesen Blechpaketen (2) ein Hohlraum, insbesonde- re in Form eines bogenförmigen Spalts (23) , gebildet wird,
- wobei der Hohlraum mit einem der Kühlkanäle (4) oder allen Kühlkanälen in Verbindung steht und ein Einspeisen eines Kühlmittels durch den Hohlraum hindurch in den oder die Kühlkanäle (4) ermöglicht.
13. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Breite des breitesten Teilblechpaketes ein ganzzahliges Vielfaches des schmälsten Teilblechpaketes beträgt.
14. Kern (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die gewickelten Teilblechpakete (3) mittels Spannbändern (52) stabilisiert und fixiert sind,
- wobei die Spannbänder (52) derart auf den Blechpaketen (2) angeordnet sind, dass sie in ihrer Lage jeweils zum Spann- band des benachbarten Teilblechpakets (3) versetzt sind und derart gestaltet sind, dass sich in dem Raum zwischen den Teilblechpaketen (3) ein Kühlkanal (4) bildet.
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