Geräuscharmer Transformator

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen geräuscharmen

Transformator oder eine geräuscharme Drossel, mit Jochteilen und Schenkelteilen, die jeweils aus geschichteten

Blechlamellen eines eine magnetische Vorzugsrichtung

aufweisenden kornorientierten weichmagnetischen Werkstoffs gebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Kerns.

Stand der Technik

Bei elektrischen Transformatoren oder Drosselspulen, wie sie üblicherweise in Energie-Verteilungsnetzen eingesetzt werden, bestehen Schenkel- und Jochteile aus einem Stapel von

Blechlamellen, üblicher Weise eines Elektroblechs aus einem kornorientierten weichmagnetischen Werkstoff, der eine magnetische Vorzugsrichtung aufweist. Solche kornorientierten Werkstoffe werden auch als "Grain Orientated Electrical

Steel, kurz auch GOES bezeichnet. Je nach dem Grad der

Orientierung, das ist die Abweichung der Kantenlänge der Kristallite von der Walzrichtung, unterscheidet man so genanntes konventionell kornorientiertes Elektroband

(Conventional Grain Oriented CGO) von Elektroband mit hoher

Permeabilität (High Permeability Grain Oriented HGO) , bei dem die Abweichung von der Walzrichtung nur gering ist und die in Walzrichtung eine sehr hohe Permeabilität aufweisen. Die Permeabilität ist ein stoffabhängiger Faktor, welcher die magnetische Flussdichte (Induktion) mit der magnetischen

Feldstärke (Erregung) verknüpft. Eine hohe Permeabilität oder Durchlässigkeit bedeutet also eine hohe Flussdichte bezogen auf eine bestimmte Feldstärke. Der so genannte B800-Wert eines Werkstoffs gibt den Wert der magnetischen Flussdichte bei einer Erregung von 800 A pro Meter an. Bei einem

hochorientierten Elektrostahlblech (HGO) ist der B800-Wert mindestens 1,88 Tesla. Wegen des größeren Aufwands bei der Herstellung sind die hochwertigen Sorten der HGO-Werkstoffe im Vergleich zu CGO-Werkstoffen teurer.

Ein kornorientiertes Elektroblech ist also anisotrop, das heißt die Permeabilität ist richtungsabhängig, in

magnetischer Vorzugsrichtung (Walzrichtung) ist sie um ein mehrfaches höher, als in Querrichtung.

Im Schenkel oder Joch eines elektrischen Transformators oder einer Drossel verläuft der magnetische Fluss auch im

Wesentlichen in Richtung der Schenkel- beziehungsweise

Jochachse, so dass hierfür Elektroband verwendet wird, dessen Walzrichtung in Richtung der Achse zeigt. Es gibt aber auch abweichende Bereiche, beispielsweise im Mündungsbereich eines Dreischenkelkern-Transformators, das heißt im Stoßbereich zwischen Mittelschenkel und Joch, wo ein von der

Schenkelachse abweichender ("rotierender") Flussanteil auftritt. Dieser von der magnetischen Vorzugsrichtung

abweichende Flussanteil verursacht einen erheblichen Anteil an Betriebsgeräuschen, da die Magnetostriktion eines

weichmagnetischen Werkstoffs quer zur Vorzugsrichtung um ein Vielfaches höher ist, als in Walzrichtung.

Aus praktischer Erfahrung des Transformatorbaus ist bekannt, dass es für den Bau geräuscharmer Transformatoren günstig ist, wenn für den Kern höherwertiges Material, also ein

Material mit einem hohen B800-Wert gewählt wird. Günstig ist insbesondere ein hochorientiertes Siliziumsstahlblech (HGO) mit einer Induktion von mehr als 1,88 Tesla bei einer

magnetischen Erregung von 800 A pro Meter. Man weiß, desto besser die Kornorientierung, das heißt, je höher die

Anisotropie des magnetischen Werkstoffs, desto geringer ist tendenziell die Geräuschemission. Die Materialkosten eines Transformatorkerns aus einem HGO-Werkstoff sind aber im

Vergleich zu einem CGO höher.

Um eine möglichst geringe Geräuschemission zu erreichen, wurde in der DE 1 488 357 schon vorgeschlagen, im Jochteil eines Transformators ein Elektroband zu verwenden, welches eine Würfeltextur mit zwei senkrecht aufeinander stehenden magnetischen Vorzugsrichtungen aufweisen. Ein solcher

Transformatorkern ist aber wegen der hohen Materialkosten aufwändig in der Herstellung.

Wenn ein Transformator oder eine Drosselspule in der Nähe eines Wohnbereichs zu installieren ist, hat die Emission von Betriebsgeräuschen zunehmende Bedeutung. Das Problem der Geräuschemission von Transformatoren oder Drosseln ist bislang noch immer nicht zufriedenstellend gelöst.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen geräuscharmen

Transformator anzugeben, bei dem der Aufwand bei der

Herstellung möglichst gering ist. Diese Aufgabe wird durch einen Transformator mit den

Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zur

Herstellung eines Transformatorkerns mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Auf vorteilhafte Ausführungen der

Erfindung nehmen die jeweils abhängigen Ansprüche Bezug.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Anisotropie von Joch-Blechlamellen durch geeignete Maßnahmen konstruktiv zu erhöhen, so dass ihre magnetische Durchlässigkeit gegenüber einer Abweichung des magnetischen Flusses von der

Vorzugsrichtung herabgesetzt wird. Damit verringert sich der magnetische Flussanteil quer zur Walzrichtung. Es verringert sich bei Betrieb die Magnetostriktion des Kerns und damit die Geräuschemission. Gemäß der Erfindung enthalten also die Jochteile Joch-Blechlamellen mit einer in magnetischer

Vorzugrichtung verlaufenden Permeabilitäts-Barriere. Diese Permeabilitäts-Barriere erstreckt sich in Walzrichtung des Jochblechs, das heißt in Richtung der Jochachse. Die Barriere kann beispielsweise in ihrer Länge durchgehend zwischen den beiden Enden einer Joch-Blechenlamelle oder aber auch kürzer ausgebildet sein. Von Bedeutung ist lediglich, dass einem Flussübertritt quer zur Walzrichtung des Elektrobandes eine Schranke entgegen gesetzt wird. Die Permeabilitäts-Barriere hat also den Effekt, dass die Ausbildung von so genannten "rotierenden Flussanteilen", das heißt von der

Vorzugsrichtung abweichenden Flusskomponenten, unterdrückt oder zumindest erschwert wird. Dies hat wie gesagt zur Folge, dass die Magnetostriktion und damit die Geräuschemission geringer sind. Obwohl sich wegen der durch das Design

erzwungenen Flussführung die magnetischen Verluste etwas erhöhen, überwiegt der vorteilhafte Effekt einer geringeren Geräuschentwicklung, insbesondere dann, wenn der

Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert werden soll und die Akzeptanzschwelle gegenüber

Lärmabstrahlung immer geringer wird.

Es bestehen nun verschiedene Möglichkeiten eine

Permeabilitäts-Barriere technisch zu realisieren,

entscheidend ist dabei lediglich, dass dort wo

Flusskomponenten quer zur Vorzugsrichtung auftreten, die magnetische Durchlässigkeit verringert wird.

Konstruktiv günstig kann es sein, wenn die Permeabilitäts- Barriere zumindest im Bereich der Einmündung zwischen einem mittleren Schenkelteil und einem oberen oder einem unteren Jochteil eines Transformators ausgebildet ist. Im Bereich des Stoßes treten bei einem Dreischenkelkern-Transformator dort so genannte "rotierende" Flussanteile auf, deren Ausbildung dadurch erschwert wird.

Hierbei hat sich gezeigt, dass es günstig sein kann, wenn die axiale Länge der Permeabilitäts-Barriere größer ist, als die Breite der Blechlamellen des Mittel-Schenkelteils des

Transformators .

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann

vorgesehen sein, dass die Permeabilitäts-Barriere in Form eines oder mehrerer sich in magnetische Vorzugsrichtung erstreckenden Schlitzes oder eines Luftspalts hergestellt ist. Derartige Schlitze können bereits bei der Herstellung des Elektrobandes , oder aber an den fertig geschnittenen Joch-Blechlamellen beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden. Ein Luftspalt kann beispielsweise auch in einer Lage des Joch-Blechstapels durch nebeneinander liegende

Blechstreifen realisiert werden. Um die Handhabung der Joch-Blechlamellen zu erleichtern kann es günstig sein, wenn die Permeabilitäts-Barriere durch einen oder mehrere nach Art einer Perforationslinie im Joch-Blech ausgebildeten Anordnung von Schlitzen gebildet ist. Die

Schlitze können in bekannter Weise durch Stanzen oder

Schneiden erzeugt werden.

In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, die

Permeabilitäts-Barriere dadurch zu realisieren, dass die Joch-Blechlamellen aus einem Coil geschnitten werden, der aus streifenförmigen Teilbereichen besteht, wobei Teilbereiche mit hoher und geringer Permeabilität in Richtung der

magnetischen Vorzugsrichtung nebeneinander liegend verlaufen. Auch hier bewirken die niedrig permeablen Feldgrenzen über die Blechdicke hinweg eine geringere Durchlässigkeit für Komponenten des magnetischen Flusses, dessen Richtung quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft. Diese niedrig permeablen Feldgrenzen können beispielsweise durch Laser- Bestrahlung, durch Ätzung oder durch andere Technologien erzeugt werden. Ein Vorteil ist hierbei, dass die gewünschte Schrankenfunktion bereits im Halbzeug (Coil) vorhanden ist.

In einer anderen Variante kann die Permeabilitäts-Barriere dadurch realisiert sein, indem Joch-Blechlamellen verwendet werden, die aus einem Elektroblech, das heißt Coil geschnitten sind, welches bereits in magnetischer

Vorzugsrichtung verlaufende nutförmige Eintiefungen aufweist. Diese Eintiefungen können beispielsweise bei der Herstellung des Elektrobleches , also beim Kaltwalzen, durch entsprechend geformte Arbeitswalzen hergestellt werden. Es ist auch denkbar, dass die Eintiefungen auf andere Weise,

beispielsweise durch eine chemische Vorbehandlung hergestellt werden.

In einer besonders günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Jochteil ausschließlich aus Joch-Blechlamellen zusammengesetzt wird, von denen jedes mit einer

Permeabilitäts-Barriere ausgestattet ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns, insbesondere eines Transformatorkerns oder eines Drosselkerns, bestehend aus jeweils aus Blechlamellen geschichteten Schenkelteilen und Jochteile eines

kornorientierten weichmagnetischen Werkstoffs mit einer magnetischen Vorzugsrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung eines Jochteils Blechlamellen verwendet werden, an denen jeweils zumindest eine Permeabilitäts-Barriere ausgebildet ist. Diese Permeabilitätsbarriere ist so ausgebildet, dass bei Betrieb des Transformators oder der Drossel der Ausbildung eines von der Vorzugsrichtung abweichenden magnetischen Flusses

entgegengewirkt wird. Auf diese Weise kann kostengünstig ein geräuscharmer Transformator oder eine Drossel hergestellt werden .

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anhand nicht einschränkender Ausführungsbeispiele zu entnehmen sind.

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in einer schematischen Darstellung obere und untere Joch-Blechlamellen zeigt, an denen jeweils eine Permeabilitäts-Barriere in Form eines Luftspaltes ausgebildet ist;

Figur 2 eine mögliche Ausbildung einer Permeabilitäts- Barriere an einer Joch-Blechlamelle mit nutförmigen Eintiefungen in einer vergrößerten

QuerschnittsdarStellung,·

Figur 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

welches eine Joch-Blechlamelle zeigt, an welcher die Permeabilitäts-Barriere durch Schlitze oder Ausnehmungen unterschiedlicher Länge und Gestalt ausgebildet ist;

Figur 4 einen Abschnitt eines GOES-Elektrobandes mit Blick auf die Bandfläche, welche in Teilfelder unterteilt ist und mehrere in Vorzugsrichtung des Blechbandes verlaufende Feldgrenzen (Permeabilitäts-Barriere) mit unterschiedlicher Permeabilität aufweist.

Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine

Ausführung der Erfindung. Zu sehen ist der magnetische Kern eines Dreischenkelkern-Transformators 1, dessen Schenkel 3 mit dem Buchstaben R, S und T bezeichnet sind. Jeder Schenkel 3 trägt in üblicher Weise eine Wicklungsanordnung, die der Einfachheit halber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Bei der Herstellung des Joch-Blechpakets des

Dreischenkelkern-Transformators 1 wurden im Jochteil 2 Joch- Blechlamellen 20 mit einer Permeabilitäts-Barriere 5

verwendet; wie in der Zeichnung angedeutet, setzt sich die gezeichnete obere und die untere Joch-Blechendlamelle 20 jeweils aus nebeneinander liegenden Teileblechen zusammen. Die auf einer Ebene des Joch-Blechstapels liegenden

Teilebleche sind in einem Abstand zueinander angeordnet.

Dadurch entsteht ein durch den Luftspalt 18 geteiltes

Jochteil 2. Der Luftspalt 18 wirkt für jenen Anteil des magnetischen Flusses, der quer zur Vorzugsrichtung 8

gerichtet ist, wie eine Barriere oder wie eine Schranke. Die Anisotropie wird durch dieses Blech-Design quasi konstruktiv erhöht. Dadurch wird erreicht, dass im Falle eines

Erregungszustandes des Transformators, bei dem die Schenkel R und S erregt sind, der Ausbildung eines "rotierenden"

magnetischen Flusses, der seinen Ursprung im Bereich des

Stoßes 10 hat und sich im Joch in Richtung des nicht erregten Schenkels T hinein erstreckt, sich nicht über den

Mittelschenkel, sondern über den äußeren, nicht erregten Schenkel T schließt. Da der magnetische Fluss quasi durch das Design gezwungen wird im Joch 2 in Vorzugsrichtung 8 des

Materials weiter zu fließen, verringert sich die unerwünschte Querkomponente des magnetischen Flusses. Eine geringere

Querkomponente des magnetischen Flusses ist günstig für eine geringe Geräuschentwicklung. Anderseits hat die konstruktiv erzwungene Flussführung über den äußeren, nicht erregten

Schenkel T aufgrund des Durchflutungsgesetzes einen sich um das (in Figur 2) rechte Transformatorfenster schließenden zirkulierenden Flussanteil zur Folge, der geringfügig die magnetischen Verluste des Transformatorkerns 1 erhöht. Diese Erhöhung der magnetischen Verluste wird aber in Kauf

genommen, da der vorteilhafte Effekt der Geräuschminimierung überwiegt .

An den Ecken stoßen Joch-Blechlamellen 20 und Blechlamellen der Schenkel 3 in einem Winkel aufeinander und sind wie üblich auf Gehrung geschnitten und überlappend gelegt. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Luftspalt 18 von einem linken Ende 14 durchgehend bis zu einem rechten Ende 15 und reicht bis zum jeweiligen Gehrungsschnitt 11, 12. Wie unten stehend noch näher ausgeführt, kann die Länge des Luftspalts 18 aber auch kürzer sein; der Luftspalt 18 muss auch nicht notwendigerweise durchgehend sein, sondern kann auch nach Art einer Perforation ausgebildet sein.

Figur 2 zeigt im Querschnitt eine Blechlamelle 20 an der an einer Seite oder an beiden Seiten Eintiefung in 7 ausgebildet sind. Hier geht als die Permeabilitäts-Barriere nicht über die gesamte Blechdicke. Eine solche Eintiefung 7 kann im Querschnitt unterschiedliche Form aufweisen, solange nur eine wirksame Grenz- oder Schrankenfunktion bezüglich der

Ausbildung eines magnetischen Flusses quer zur Walzrichtung erzielt wird. Sie kann beispielsweise durch Walzen oder

Fräsen hergestellt werden. Das Elektroband kann

beispielsweise beim Kaltwalzen so geformt werden.

Figur 3 zeigt eine Detaildarstellung im Stoßbereich 10 zwischen einer Joch-Blechenlamelle 2 und einer

Mittelschenkel-Blechlamelle 3 mit dachförmigem

Gehrungsschnitt 13. Der Stoßbereich 10 ist in Figur 3 mit Schraffur gekennzeichnet. Die Permeabilitäts-Barriere 5 besteht hier aus drei nebeneinander liegenden Anordnungen von Schlitzen 17. Diese Schlitze 17 verlaufen in Vorzugsrichtung 8, sind aber unterschiedlich ausgebildet. Die obere über eine Länge 9 sich erstreckende Schlitzanordnung besteht aus

Schlitzen 17 und verbindenden Stegen 21 (Perforationslinie) . Dabei ist das Verhältnis zwischen der Länge eines Schlitzes 17 und der Länge eines Steges 21 so gewählt, das die

magnetische Durchlässigkeit für den magnetischen Fluss quer zur Walzrichtung 8 des Elektrobleches 20 verringert ist. Die mittlere Barriere ist ein durchgehender geradlinig in

Vorzugsrichtung 8 verlaufender Schlitz 17; die darunter liegende Barriere besteht aus zwei Schlitzen 17 beidseits vom dachförmigen Gehrungsschnitt 13. Wie in Figur 3

dargestellt, kann die Länge 9 dieser Permeabilitäts-Barrieren 5 unterschiedlich sein, z.B. kürzer als die Breite 16 oder aber länger, bis hin zu den Gehrungen 11 an den Enden 14, 15 der Joch-Blechenlamelle 20. Figur 4 zeigt eine Ausriss aus einem Elektroband 19 in einer Draufsicht auf die Bandfläche. Das Elektroband 19 besteht aus einem kornorientierten weichmagnetischen Werkstoff und ist aus streifenförmigen Teilbereichen oder Teilfeldern 6 zusammengesetzt: Mit dem Bezugszeichen 8 ist wieder die

Vorzugsrichtung, das heißt die Walzrichtung des Elektrobandes 19 gekennzeichnet. Im Elektroband 17 sind in Walzrichtung 8 zueinander parallel verlaufend mehrere niedrigpermeable

Feldgrenzen 4 ausgebildet. Diese niedrigpermeablen

Feldgrenzen 4 können beispielsweise beim Walzprozess des Elektrobandes 17, z.B. wie oben bereits dargestellt in Form von Querschnittverringerungen hergestellt werden. Eine

Permeabilitäts-Barriere 5 kann aber auch in einem dem

Walzprozesses folgenden Verarbeitungsschritt hergestellt werden, wie bereits oben dargestellt durch einen Schnitt ^¬ oder Schlitzvorgang, der auch teilweise unterbrochen sein kann (Perforation) oder durch eine andere mechanische oder chemische Einwirkung auf den bandförmigen weichmagnetischen Werkstoff, z.B. durch eine Laser-Behandlung. Es ist denkbar, dass auf die Materialeigenschaft selbst Einfluss genommen wird, so dass eine über die Blechdicke sich einstellende Barrierewirkung zu Stande kommt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung kann also darin gesehen werden, dass durch die Einführung von Permeabilitäts- Barrieren 5 konstruktiv die Geräuschemission abgesenkt werden kann, ohne dass teures hochpermeables kornorientiertes

Material verwendet werden muss. Die Kernherstellung ist damit billiger. Dadurch können kostengünstig Transformatoren gefertigt werden, die weniger Betriebsgeräusche verursachen. Auch wenn mit der erfindungsgemäßen Maßnahme eine

geringfügige Erhöhung der magnetischen Verluste in Kauf genommen werden muss, überwiegt der Vorteil geringerer

Geräusche und Kostenvorteil bei der Herstellung eines

geräuscharmen Transformators, da auf höherwertiges Material verzichtet werden kann. Obwohl die Erfindung in Detail durch die oben dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den

Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So lässt sich das anhand eines 3-Schenkelkern-Transformators erläuterte Prinzip natürlich genauso auf Transformatoren mit mehr als drei Schenkeln ebenso gut auf den magnetischen Kern elektrischer Drosseln und auf andere elektrische Maschinen anwenden.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

I Kern eines elektrischen Transformators

2 Jochteil

3 Schenkelteil

4 Feldgrenze, niedrigpermeabel

5 Permeabilitäts-Barriere

6 Teilbereich

7 Eintiefung

8 magnetischer Vorzugsrichtung

9 Länge

10 Stoßbereich, Einmündungsbereich zwischen 2 und 3

II Gehrungsschnitt oberes Jochteil

12 Gehrungsschnitt unteres Jochteil

13 Gehrungsschnitt im Stoßbereich

14 Ende einer Joch-Blechenlamelle

15 Ende einer Joch-Blechenlamelle

16 Breite

17 Schlitz

18 Luftspalt

19 Elektroband

20 Joch-Blechenlamelle

21 Steg