AT510819B1 - Magnetischer kern mit randisolation und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Abstract

Magnetischer Kern, insbesondere Kern eines Transformators, der aus einem Blechpaket (1) gebildet ist, wobei der Kern (10) benachbart zueinander liegende Blechstreifen (2, 2') aufweist, zwischen denen in einem Randbereich (5) eine elektrische Isolation (4) ausgebildet ist, durch welche eine randseitige Aufspreizung (8) der benachbart zueinander liegenden Blechstreifen (2, 2') bewirkt ist.

Description

Beschreibung

MAGNETISCHER KERN MIT RANDISOLATION UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTEL¬LUNG

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Kern, insbesondere einen magne¬tischen Kern für einen Transformator, der aus einem Blechpaket gebildet ist, sowie ein Verfah¬ren zu dessen Herstellung.

STAND DER TECHNIK

[0002] Zur Verringerung von magnetischen Verlusten wird der Kern elektrischer Maschinenüblicher Weise aus geschichteten, weichmagnetischen Blechen aufgebaut. Um die Ausbildungvon Wirbelströmen zu unterbinden, sind die Bleche meist beidseitig mit einer Isolationsschichtbeschichtet.

[0003] Bei einem elektrischen Transformator, z.B. einem Leistungstransformator oder einemVerteiltransformator in einem Energieverteilungsnetz, werden die Joch- und die Schenkelteileüblicher Weise aus gestanzten Blechstreifen, im Folgenden auch Blechlamellen genannt, zu¬sammengesetzt. Das Blechpaket wird dann durch geeignete Bandagen und Haltevorrichtungenzusammen gehalten.

[0004] Es ist bekannt, dass bei der Herstellung der Blechstreifen, bedingt durch die Material¬verdrängung beim Stanzvorgang, randseitig eine Kantenüberhöhung, ein so genannter Grat,entstehen kann. Ein Grat ist eine scharfkantig auslaufende Ausfaserung des Werkstoffs. Größeund Form dieser Ausfaserung ist abhängig vom Blechwerkstoff und vom Zustand des Stanz¬werkzeuges, welches dem Verschleiß unterliegt.

[0005] Die Ausbildung eines solchen Grats an den Blechen ist im Elektromaschinenbau höchstunerwünscht, denn er führt zu einer Erhöhung der magnetischen Verluste des magnetischenKerns, denn je nach Größe und Ausbildung dieser Ausfaserung kann es im Blechstapel trotzder Flächenisolation der einzelnen Bleche randseitig zu einem elektrischen Kontakt zwischenaufeinander liegenden Blechlamellen kommen. Dieser Kontakt bildet einen Kurzschluss fürWirbelströme.

[0006] Um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Blechlamellen zu verhindern, wird sei¬tens der Hersteller elektrischer Maschinen gefordert, dass der Grat beim Stanzen der Blechemöglichst klein gehalten ist. Gefordert wird oft ein Grat von kleiner 0,02 mm. Die Forderungnach einem minimalen Grat hat aber technische und wirtschaftliche Grenzen: zum einen lässtsich die Bildung eines Grats beim Stanzen grundsätzlich nie ganz ausschließen; zum anderenführt die Forderung nach einem möglichst kleinen Grat auf eine aufwändige Fertigung underhöht den Preis für das Halbzeug.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen magnetischen Kern anzugeben,insbesondere für einen Kern eines Leistungstransformators, bei dem der magnetische Anteilder Verluste, der durch Grat an den verwendeten Blechteilen verursacht ist, möglichst gering ist.Eine weitere Aufgabe ist es, ein kostengünstiges und einfach zu handhabendes Verfahren zurHerstellung eines verlustarmen magnetischen Kerns anzugeben.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen magnetischen Kern gemäß den Merkmalen des Pa¬tentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kerns gemäßden Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungsind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen definiert.

[0009] Der vorrichtungsgemäße Teil der Aufgabe wird dadurch gelöst, dass einzelne Bleche des Blechstapels am Rand mit einer Isolierung versehen werden. Diese Randisolierung wird anmehreren Stellen jeweils zwischen benachbarten Blechlamellen ausgebildet. Dies kann bei¬spielsweise so erfolgen, dass auf einem Randbereich eines Blechstreifens eine elektrisch isolie¬rende Beschichtung aufgetragen wird. Diese Beschichtung kann auch Partikel enthalten, derenGröße so bemessen ist, dass im zusammengefügten Zustand benachbarte Blechlamellen trotzGrat keinen elektrischen Kontakt haben. Das Aufbringen dieser Isolations-Beschichtung kannauf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Sprühen, Rollen oder Tauchen. VonBedeutung ist lediglich, dass in einem erstarrten Zustand der Isolations-Beschichtung zweibenachbarte Blechlamellen randseitig genügend weit auseinander gehalten werden, so dassüber einen Grat kein elektrischer Kontakt zu Stande kommen kann. Mit anderen Worten, bis derRandisolation erreicht man, dass die bei Betrieb im Blechpaket induzierten Wirbelströme keineMöglichkeit haben, sich über einen Grat zu schließen. Dadurch sind die Wirbelsturmverlustedes magnetischen Kerns und damit auch die Gesamtverluste des Kerns geringer. Für Trans¬formatoren hoher Leistung, wie sie als Leistungstransformatoren bei einem Kraftwerk und beiEnergieversorgungsnetzen eingesetzt werden, ist dies von einem ganz besonderen Vorteil. Dadie Verluste geringer sind, ist auch die Wärmeentwicklung geringer, was für die Zuverlässigkeitder elektrischen Wicklung günstig ist. Beim Aufträgen der Beschichtung kann vorteilhaft auchein automatisches Handhabungswerkzeug verwendet werden. Bei der Auslegung der elektri¬schen Maschine kann man dank der Erfindung an Belastungsgrenzen gehen, die sonst nichtmöglich wären.

[0010] Eine bevorzugte Ausführungsform kann so ausgebildet sein, dass die elektrische Isolati¬on durch ein am Blechrand angeordnetes, streifenförmiges Isolationsstück gebildet ist. DiesesIsolationsstück kann beispielsweise bei der Herstellung des ferromagnetischen Kerns beimAufeinanderstapeln der einzelnen Blechlamellen in bestimmten Abständen im Stapel eingelegtwerden. Das Isolationsstück kann aus einem anorganischen oder organischen Werkstoff beste¬hen.

[0011] Hinsichtlich der Handhabung bei der Fertigung kann es günstig sein, wenn die Randiso¬lation durch ein Isolationsband mit einer Klebstoffschicht gebildet ist. Das Aufbringen lässt sichdadurch besonders einfach durchführen, indem das Isolationsband in Richtung der Längser¬streckung eines Blechstreifens von einer Rolle entnommen entlang der äußeren Kante desElektrobleches aufgeklebt wird. Dies kann auch manuell durchgeführt werden.

[0012] Ein Klebstoff, der durch Wärmeeinwirkung erhärtet, kann von besonderem Vorteil sein.Dadurch verfestigt sich die Distanzhaltung durch die Betriebstemperatur. Die randseitige Isolati¬on benachbarter Blechlamellen kann dadurch trotz Grat an den Blechen über einen langenBetriebszeitraum aufrechterhalten werden.

[0013] Für die Handhabung kann ein Isolationsband vorteilhaft sein, welches aus einem Gewe¬be, einem Gewirke oder Gestricke gebildet ist. Der Träger für den Klebstoff ist dadurch beson¬ders rissfest.

[0014] Es kann von Vorteil sein, wenn im Gewebe als Faser ein mineralischer Werkstoff, z.B.Glas zum Einsatz kommt. Ein solcher Werkstoff ist beständig gegen Transformatoröl und tem¬peraturunempfindlich.

[0015] Für Transformatoren, die mit Transformatoröl gefüllt sind, kann von besonderem Vorteilsein, Fasern oder Fäden aus einem Polymerwerkstoff zu verwenden. Kunststofffasern werdenheutzutage zur Armierung von Klebstoffbändern bereits verwendet.

[0016] Als Klebstoff wird bevorzugt eine Acrylat-Klebemasse verwendet.

[0017] Bei einem Transformatorkern, der stufig aufgebaut ist, lässt sich eine wirkungsvolleVerringerung der magnetischen Verluste bereits dadurch erreichen, wenn nur die Hauptstufedes Kerns Blechlamellen-Paare enthält, die randseitig mit einer Isolation versehen sind.

[0018] Es kann fertigungstechnisch vorteilhaft sein, wenn die Anordnung in der Hauptstufe sogewählt ist, dass zwischen zwei benachbarten Paaren von Blechlamellen, deren Ränder mit einem Isolationsstück gespreizt sind, etwa 100 oder 120 Blechlamellen ohne Spreizung dazwi¬schen liegen.

[0019] Um einen Kurzschluss, der durch einen Grat zwischen Blechlamellen verursacht wird,mit hoher Sicherheit auszuschließen, hat es sich praktisch bewährt, wenn das randseitig einge-brachte Isolationsstück außen etwas übersteht. Günstig ist dabei, wenn die elektrische Isolationdurch ein Klebeband hergestellt ist, welches die Seitenfläche der Hauptstufe des Kerns umetwa ein bis 2 mm nach außen hin überragt.

[0020] Der verfahrensgemäße Teil der Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gelöst, beiwelchem während des Herstellens des Blechstapels an vorgegebenen Stellen zwischen einzel¬nen benachbarten Blechlamellen randseitig eine Isolation eingebracht wird.

[0021] Fertigungstechnisch kann es günstig sein, wenn dieses Einbringen nicht zwischen je¬dem Paar benachbarter Blechlamellen erfolgt, sondern wenn etwa 100 bis 120 Blechlamellenim Stapel dazwischen liegen, welche keine zusätzliche Randisolation aufweisen (bei Leistungs¬transformatoren üblicher Bauart entspricht dies einem Abstand der Randisolation im Blechsta¬pel von etwa drei bis 4cm).

[0022] Vorteilhaft ist dabei, wenn ein Transformator- oder ein Drosselkern sowohl am äußerenUmfang, als auch im Fensterumfang mit der Randisolation umlaufend ausgestattet wird.

[0023] Wie bereits oben ausgeführt, kann diese Randisolation durch Einlegen eines streifen¬förmiges isolierenden Zwischenstückes, bevorzugt durch ein Klebeband erfolgen, welches beimStapeln der Blechstreifen jeweils am Rand in Längsrichtung eines Blechstreifens aufgeklebtwird und die Kante etwa 1 mm bis 2 mm überragt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0024] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung aufdie Zeichnungen Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelhei¬ten und Weiterbildungen der Erfindung anhand nicht einschränkender Ausführungsbeispiele zuentnehmen sind.

[0025] Es zeigt: [0026] Figur 1 eine Seitenansicht eines Kerns eines 3-Schenkel-Transformators, der aus einzelnen Blechstreifen zusammengesetzt ist und wobei randseitig eine Isolati¬on an den Blechstreifen ausgebildet ist, in einer schematischen Darstellung; [0027] Figur 2 eine stark vergrößerte Detaildarstellung eines Blechstreifens mit einem Grat der von einer Isolationsschicht umhüllt ist; [0028] Figur 3 einen Ausriss aus einem Querschnitt durch einen Kern eines Transformators mit einer Hauptstufe an welcher randseitig benachbart zueinander liegendeBlechlamellen durch ein Klebeband elektrisch voneinander getrennt sind; [0029] Figur 4 eine stark vergrößerte Darstellung eines in Figur 3 mit "X" gekennzeichneten

Details.

AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0030] Die Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung den Kern 10 eines 3-Schenkel-Transformators von der Seite her gesehen. Der Kern 10 ist aus einzelnen Teilpaketen aufge¬baut, die insgesamt das Blechpaket 1 bilden. Jedes Teilpaket besteht aus einer Vielzahl überei¬nander liegender Blechstreifen 12. jeder Blechstreifen weist eine Breite 13 auf.

[0031] Der Kern 10 besteht im Wesentlichen aus zwei jeweils horizontal verlaufenden Jochtei¬len und drei vertikal verlaufenden Schenkelteilen. Die Schenkelteile sind jeweils Träger einerWicklungsanordnung, welche in der schematischen Zeichnung der Figur 1 der Übersichtlichkeitwegen nicht näher dargestellt ist.

[0032] Wie im Folgenden näher ausgeführt, ist jeweils in einem Randbereich 5 der die Joch-und Schenkel-Teile bildenden Blechpakete 1 auf einzelnen Blechlamellen jeweils eine elektri¬sche Isolation 4 ausgebildet. Diese Isolation 4 ist nicht nur am äußeren Umfang 16 des Kerns10, sondern auch längs des Umfangs 15 eines jeden Fensters 9 ausgebildet.

[0033] Zweck dieser Rand- oder Ende-Isolation 4 ist es, benachbart zueinander liegendeBlechstreifen oder Blechlamellen trotz Grat elektrisch getrennt zu halten.

[0034] In Figur 2 ist in einer stark vergrößerten Darstellung eine mögliche Ausführung einersolchen Randisolation skizziert. Ein Randbereich 5 eines Blechstreifens 2 weist einen Grat 11auf. Wie bereits eingangs gesagt, stellt dieser Grat 11 eine scharfkantige, randseitige Ausfase¬rung des Blechmaterials dar, die beim Stanzvorgang des Blechs entsteht und grundsätzlichnicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Der Grat 11 ist meist unregelmäßig und scharf¬kantig auslaufend. Im Stapel 1 kann diese scharfkantige Überhöhung 11 zwischen zwei be¬nachbarten Blechlamellen 2, 2' einen Kurzschluss verursachen. Durch den Grat 11 wird nämlichdie üblicherweise bei Elektroblechen vorhandene Flächenisolation wirkungslos: bei Betriebauftretende Wirbelströme finden einen Strompfad, der über den Grat 11 führt und verursachenerhöhte magnetische Verluste. Um einen Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Blechstrei¬fen 2, 2' zu verhindern, wird gemäß der in Figur 2 gezeichneten Ausführung der Erfindung derRand 5 - und damit der Grat 11 - mit einer Isolationsschicht 4 umhüllt. Diese Umhüllung kanngrundsätzlich durch jede geeignete viskose Isolations- Zusammensetzung, z.B. durch einenaushärtenden Backlack bewirkt werden. Dadurch entsteht eine randseitige Aufdickung (Figur 2).Die Isolations-Zusammensetzung kann auch Partikel enthalten, die in einem noch nicht voll¬ständig erstarrten Zustand der Isolations-Zusammensetzung als randseitiger Distanzschalterfungieren. Der Prozess des Aufbringens kann beispielsweise durch Eintauchen, Sprühen, Rol¬len oder einem anderen geeigneten Beschichtungsverfahren erfolgen. Entscheidend ist lediglichdabei, dass in einem zumindest teilweise erhärteten Zustand, die Isolation 4 an der Kante desBlechs 2 den Grat 11 so umhüllt, dass es auch dann, wenn der Kern die Betriebstemperaturerreicht, nicht zu einem Kurzschluss zwischen benachbarten Blechlamellen 2, 2' kommen kann.

[0035] Die Figur 3 zeigt einen Ausriss aus einem Querschnitt durch den Kern 10 eines Trans¬formatorschenkels. Der Kern 10 wird durch ein Blechpaket 1 gebildet, dass aus einzelnenBlechstreifen 12 zusammengesetzt ist. Der Querschnitt des dargestellten Transformatorschen¬kels ist stufenförmig. Wie der Zeichnung leicht entnommen werden kann, enthält die Hauptstufe3 Paare von Blechstreifen 2, 2', zwischen denen randseitig ein flächenförmig ausgebildetesIsolationsstück 4 dazwischen gelegt ist. Diese Randisolation benachbarter Blechlamellen wirdbei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Klebeband 4 gebildet, welchesbei der Herstellung des Blechstapels 1 aufgeklebt wird. Die Anbringung des Klebebandes er¬folgt in Richtung der Längserstreckung der Blechstreifen 12. Dabei wird aber nicht jedes Paarvon Blechlamellen im Stapel 1 durch eine Isolation 4 getrennt, sondern es liegt eine AnzahlBlechlamellen aufeinander, die keine Randisolation aufweist, was am besten anhand dernächsten Figur 4 zu sehen ist.

[0036] Die Figur 4 zeigt in einer vergrößerten Darstellung das in Figur 3 mit "X" gekennzeichne¬te Detail. Deutlich zu sehen sind dabei drei Paare aneinander liegender Blechlamellen 2, 2' diein einem Randbereich 5 jeweils durch ein Klebeband 4 getrennt sind. Das dazwischen liegendeKlebeband 4 bewirkt im Randbereich 5 eine Aufspreizung 8. Diese Aufspreizung 8 verhindert,dass ein metallischer Grat 11 einen Kurzschluss zwischen benachbarten Blechlamellen 2, 2'verursachen kann. Das Klebeband 4 ist mit einer Acrylat enthaltenden Klebemasse beschichtet.Diese Klebstoffschicht härtet bei Wärme aus. Das Klebeband 4 weist eine Dicke 14 von etwa0,2 mm auf und steht mit einem Überstand 7 von etwa 1 bis 2 mm von einer Seitenfläche 6 derHauptstufe 3 ab. Dadurch ist ein elektrischer Kontakt im Randbereich zwischen zwei aufeinan¬der geschichteten Blechstücken 2, 2' sicher verhindert.

[0037] In der Figur 4 ist der Stapel 1 unterbrochen dargestellt. In der Praxis hat es sich nämlichherausgestellt, dass eine deutliche Verringerung der Wirbelsturmverluste bereits dann erreichtwerden kann, wenn nicht jedes Paar Blechlamellen 2, 2' im Stapel voneinander randseitig iso¬ liert ist. Eine effiziente Verringerung der magnetischen Verluste lässt sich bereits dann errei¬chen, wenn im Stapel zwischen zwei randseitig isolierten Blechlamellen-Paaren 2, 2' etwa 100oder 120 Blechlamellen ohne Randisolation dazwischen liegen. Mit dem im Transformatorbauüblicher Weise verwendeten Elektroblech bedeutet dies, dass, in Richtung des Stapels gese¬hen, die durch eine Klebestreifen getrennten Blechenlamellen etwa 3 cm bis 4 cm auseinanderliegen.

ZUSAMMENSTELLUNG DER VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN I Blechpaket 2, 2' Blechstreifen, Blechlamellen 3 Hauptstufe 4 Isolation, Isolationsstück, Isolations- / Klebeband 5 Randbereich 6 Seitenfläche 7 Überstand 8 Aufspreizung 9 Fenster 10 Kern II Grat 12 Blechstreifen 13 Breite 14 Dicke des Isolationsbandes 15 Fensterumfang 16 äußerer Kernumfang 17 Klebstoff

Claims (13)

1. Patentansprüche 1. Magnetischer Kern, insbesondere Kern eines Transformators, der aus einem Blechpaket (1) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (1) benachbart zueinanderliegende Blechstreifen (2, 2') aufweist, zwischen denen in einem Randbereich (5) eineelektrische Isolation (4) ausgebildet ist, durch welche eine randseitige Aufspreizung (8) derbenachbart zueinander liegenden Blechstreifen (2, 2') bewirkt ist.
2. 2. Magnetischer Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischeIsolation (4) durch ein im Randbereich (5) angeordnetes, streifenförmiges Isolationsstückgebildet ist.
3. 3. Magnetischer Kern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsstückdurch ein Isolationsband gebildet ist, welches an einer oder an beiden Seiten mit einemKlebstoff (17) beschichtet ist.
4. 4. Magnetischer Kern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsbandeine Dicke (14) von etwa 0,2 mm aufweist und der Klebstoff (17) wärmehärtend ist.
5. 5. Magnetischer Kern nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolati¬onsband (4) einen Träger aufweist, der aus Fasern oder Fäden gewirkt oder gewebt ist.
6. 6. Magnetischer Kern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oderFäden des Trägers aus einem Polymerwerkstoff gebildet sind.
7. 7. Magnetischer Kern nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff(17) ein Acrylat-Klebstoff ist und die Fasern oder Fäden des Trägers aus einem Glas gebil¬det sind.
8. 8. Magnetischer Kern nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieIsolation (4), mit der die Blechstreifen (2, 2') endseitig getrennt sind, an einer Hauptstufe (3)des magnetischen Kerns (10) angeordnet sind und die Isolation (4) von einer ebenen Sei¬tenfläche (6) der Hauptstufe (3) um etwa 1 bis 2 mm nach außen übersteht.
9. 9. Magnetischer Kern nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung imStapel der Hauptstufe (3) so gewählt ist, dass in Stapelrichtung des Blechpakets (1) gese¬hen zwischen den mit einer randseitigen Isolation (4) versehenen Paaren von Blechstreifen(2, 2') etwa 100 Blechstreifen ohne Isolation dazwischen liegend angeordnet sind.
10. 10. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Kerns, insbesondere eines Transformator¬kerns, mit folgenden Schritten: - Bilden eines Blechpakets (1) durch Aufeinanderlegen von weichmagnetischen Blech¬streifen (12); - Einbringen eines Paares von im Blechpaket (1) benachbart zueinander liegenden Blech¬streifen (2, 2') an denen jeweils in einem Randbereich (5) eine elektrische Isolation (4)ausgebildet ist, durch welche randseitig eine Aufspreizung (8) dieser Blechstreifen (2, 2')bewirkt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der elektri¬schen Isolation (4) durch Kleben eines streifenförmigen Klebebandes gebildet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtungdes Blechpakets (1) gesehen eine Anordnung gewählt wird, bei der jeweils zwischen zweibenachbarten Paaren von Blechstreifen (2, 2'), die mit einer Isolation (4) versehen sind,etwa 120 Blechstreifen (12) ohne Isolation dazwischen liegend angeordnet werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebeband (4)in einem betriebsfertigen Zustand des Kerns (10) sowohl längs eines außen liegenden Um¬fangs (16), als auch längs eines Fensterumfangs (15) jeweils zwischen Paaren von Blech¬streifen (2, 2') angeordnet wird. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen