Magnetischer Kern gebildet aus Blechlamellen mit

unterschiedlicher Kornorientierung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Kern für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Transformator, der Schenkelteile und Jochteile aufweist, die jeweils aus einem Blechpaket bestehend aus aneinander liegenden

Blechlamellen gebildet ist, wobei der weichmagnetische

Werkstoff der Blechlamellen eine Kornorientierung aufweist.

Stand der Technik

Um magnetische Verluste bei elektrischen Maschinen möglichst gering zu halten, wird deren Kern geschichtet aus einzelnen aneinander liegenden Blechlamellen aufgebaut. Bei elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Generatoren und Motoren, bei denen der magnetische Fluss auf keine bestimmte Richtung festgelegt ist, wird für die Blechlamellen ein weichmagnetischer Werkstoff verwendet, der in allen

Richtungen etwa gleich gute magnetische Eigenschaften

aufweist. Ein solcher Werkstoff wird als

nichtkornorientiertes Elektroband oder Elektroblech

bezeichnet. Die einzelnen Kristallite ( kristallografische Textur) sind hier regellos in der Blechebene ausgerichtet. Bei elektrischen Maschinen, wie Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren oder Drosseln, wie sie bei der Verteilung von elektrischer Energie in Energie- Verteilungsnetzen eingesetzt werden, bei denen der magnetische Fluss im wesentlichen in einer Hauptrichtung in den Schenkelteilen und Jochteilen fließt und bei denen es ganz besonders auf möglichst geringe magnetische Verluste ankommt, werden weichmagnetische Werkstoffe eingesetzt, bei denen die einzelnen Kristallite eine einheitliche

Orientierung aufweisen. Die einheitliche Orientierung macht diese Werkstoffe dann stark anisotrop. Solche Werkstoffe, wie konventionell kornorientiertes Elektroband - im Folgenden kurz auch als CGO-Werkstoff (Conventional Grain Oriented) bezeichnet- ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Die

magnetischen Eigenschaften wurden ständig verbessert. Die auf die Masseneinheit bezogenen magnetischen Verluste, auch als Wattverluste [W/kg] bezeichnet, konnten durch einen

gesteigerten Aufwand bei der Herstellung zunehmend gesenkt werden. Durch eine spezielle metallurgische Zusammensetzung, sowie einen verfeinerten Warm- und Kaltwalz-Prozess in

Verbindung mit einer differenzierten Wärmebehandlung bei der Herstellung, sind heutzutage Elektrobleche mit hoher

Permeabilität verfügbar, - im Folgenden kurz auch als HGO- Blech oder HGO-Werkstoff (High Permeability Grain Oriented) bezeichnet -, bei denen die Kornorientierung, das heißt die Abweichung der Kantenlänge der Kristallite von der

Walzrichtung nur gering ist und die in Walzrichtung eine sehr hohe Permeabilität aufweisen. Wegen des größeren Aufwandes bei der Herstellung sind HGO-Werkstoffe im Vergleich zu konventionellen CGO-Werkstoffen teurer.

Wird nun bei einem Transformator ein solches CGO- oder HGO- Elektroblech verbaut, so zeigt sich, dass die Verluste des fertigen Transformatorkerns höher sind als die gemessene Verlustdichte in Walzrichtung einer Materialprobe. Dieser Sachverhalt wird durch den so genannten "Aufbaufaktor" oder "Building Faktor" - im Folgenden kurz auch als "BF-Faktor" bezeichnet, ausgedrückt. Der BF-Faktor ist das Verhältnis der gesamten Verlustdichte eines fertigen Kerns bezogen auf die spezifischen Verluste multipliziert mit der Masse des Kerns. Angestrebt wird bei der Herstellung eines Transformators ein BF-Faktor der möglichst nahe eins ist. Aus der Praxis der Transformatorherstellung weiß man nun aber, dass HGO-Materialien, also Werkstoffe mit hoher

Kornorientierung, einen vergleichsweise höheren BF-Faktor zeigen. Dies kann darin begründet sein, dass Materialien mit hoher Kornorientierung zwar gute magnetische Eigenschaften in Walzrichtung zeigen, jedoch schlechtere Eigenschaften, wenn der Fluss nicht in Walzrichtung verläuft (anisotropes

Material) . Ferner zeigt die Praxis des Transformatorbaus, dass Transformatorkerne aus konventionellem CGO-Material , das heißt einem Material mit vergleichsweise schlechteren

magnetischen Eigenschaften, deutlich niedrigere BF-Werte aufweisen. Da aber hochpermeable HGO-Werkstoffe

vergleichsweise geringere Verlustwerte aufweisen, besitzt ein aus einem HGO-Werkstoff hergestellter Transformatorkern vergleichsweise niedrigere Verluste, als ein Kern aus einem konventionellen CGO-Material.

Bisher hat man bei der Herstellung von Transformatoren entweder hochpermeable oder konventionelle Werkstoffe

verwendet. Je nach dem ob eine Minimierung der magnetischen Verluste oder die Herstellungskosten im Vordergrund stehen, bestand die ganze Kernanlage entweder aus einem

hochpermeablen HGO-Werkstoff oder aus einem preisgünstigeren CGO-Werkstoff .

Grundsätzlich ist man aber bei der Herstellung eines

Transformators bestrebt, das verwendete ferromagnetische Material möglichst effizient einzusetzen, das heißt, mit möglichst geringem Herstellungsaufwand die Betriebsverluste so gering wie möglich zu halten, ohne dass dabei gewünschte Betriebseigenschaften, wie beispielsweise eine möglichst lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit oder eine geringe

Geräuschemission in Mitleidenschaft geraten. Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen

magnetischen Kern für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Transformator, und ein Verfahren zu dessen

Herstellung so anzugeben, dass der Herstellungsaufwand geringer ist, gleichzeitig aber möglichst keine Einbuße an gewünschten Betriebseigenschaften hingenommen werden muss.

Diese Aufgabe wird durch einen magnetischen Kern für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen

definiert .

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass beim Bau eines Transformatorkerns das hochpermeable, aber

vergleichsweise teurere HGO-Material nicht bei allen den magnetischen Fluss führenden Maschinenteilen voll zur Geltung gebracht werden kann. In einem Jochteil eines elektrischen Transformators fließt der magnetische Fluss nämlich nicht nur in eine Hauptflussrichtung, sondern weist auch

Querkomponenten auf, insbesondere im Bereich der Stoßstelle zu den einzelnen Schenkelteilen. Anders als in den

Schenkelteilen selbst, wo der magnetische Fluss fast

ausschließlich in Walzrichtung der Blechlamellen verläuft und wo die in Walzrichtung hohe Permeabilität gut zur Geltung kommen kann, ist dies bei den Jochteilen, wo der magnetische Fluss nicht vorwiegend geradlinig in Walzrichtung verläuft, sondern auch quer dazu, kommen die günstigen

Materialeigenschaften in Walzrichtung (hohe Permeabilität) nicht vollständig zum Tragen. Die Erfindung schlägt daher vor, bei der Transformatorherstellung für Schenkelteile und Jochteile magnetische Werkstoffe mit unterschiedlicher

Kornorientierung zu verwenden, das heißt im Joch statt einem hochpermeablen Material (HGO-Material) kostengünstigeres konventionelles Material (CGO-Material ) einzusetzen.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die

Verwendung von CGO-Material im Joch zu keiner signifikanten Verschlechterung anderer erwünschter Betriebseigenschaften des Transformators kommt. Der erfindungsgemäße magnetische Kern ist also dadurch gekennzeichnet, dass die

Kornorientierung der Blechlamellen der Schenkelteile höher ist, als die Kornorientierung der Blechlamellen der

Jochteile. Grundsätzlich können Schenkelteile bzw. Jochteile entweder vollständig oder zumindest anteilsweise aus HGO-

Material bzw. CGO-Material hergestellt sein. Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der

Herstellungsaufwand bei Transformatorkern verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es zu weniger lokalen Verlustüberhöhungen und daher zu geringeren Hot-Spot- Temperaturen kommt.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch

gekennzeichnet, dass das Blechpaket der Jochteile

ausschließlich aus Blechlamellen gebildet ist, deren

Kornorientierung geringer ist, als die Kornorientierung der Blechlamellen der Schenkelteile. Transformatorkerne mit geforderten Gesamtverlusten können dadurch kostengünstiger hergestellt werden.

Für geringe Herstellungskosten kann es günstig sein, wenn der magnetische Werkstoff der Blechlamellen der Schenkelteile eine Fehlorientierung im Mittel von etwa 3° und der

magnetische Werkstoff der Blechlamellen der Jochteile eine Fehlorientierung von mehr als 5° aufweist.

Um den Aufwand bei der Herstellung von

Verteilungstransformatoren oder Leistungstransformatoren weiter zu verringern, kann es günstig sein, wenn für den Kern ein weichmagnetisches Elektroband verwendet wird, welches bei einer magnetischen Feldstärke von 800 Ampere pro Meter, - im Folgenden auch als B800-Wert bezeichnet - , eine bestimmte magnetische Flussdichte oder Polarisation aufweist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der magnetische Werkstoff der

Blechlamellen der Schenkelteile einen B800-Wert von größer als 1,88 Tesla aufweist und der magnetische Werkstoff der Blechlamellen der Jochteile von kleiner als 1,88 Tesla aufweist. Vorteilhaft ist dabei eine Dicke des Elektrobands von kleiner gleich 0,3 mm.

Es kann günstig sein, wenn das Elektroband, aus dem die

Blechlamellen der Jochteile geschnitten oder gestanzt werden, zuvor mit einem Laserstrahl verfeinert wurde. Durch eine Laserstrahlbehandlung eines CGO-Elektrobandes können

insbesondere dessen Ummagnetisierungsverluste mit

vergleichsweise geringem technischen Aufwand gesenkt werden, gleichzeitig aber der Kostenvorteil beibehalten werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf Zeichnungen genommen, in welchen anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und

Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

ES zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kerns eines

Dreischenkeltransformators .

Ausführung der Erfindung

In der Figur 1 ist ein magnetischer Kern 1 eines elektrischen Transformators in 3-Schenkel-Bauweise zu sehen. Der Kern 1 besteht aus drei Schenkelteilen 3', 3'', 3'''. Diese drei Schenkelteile 3', 3'', 3'"' (die elektrische Wicklung ist in Figur 1 nicht gezeichnet) verbindet oben ein erstes Jochteil 2' und unten ein zweites Jochteil 2''. In der Verbindung zwischen den äußeren Schenkelteilen 3' und 3' ' ' mit dem oberen bzw. unteren Jochteil 2' bzw. 2'' stehen die einzelnen Blechlamellen in Form einer Gehrung aufeinander. Die

Verbindung zwischen dem mittleren Schenkelteil 3'' mit dem jeweils anstoßenden Jochteil 2' bzw. 2'' ist in der Form eines Daches ausgeführt.

Sowohl die drei Schenkelteile 3', 3'', 3'"', wie auch die beiden Jochteile 2' und 2'' sind jeweils aus aneinander liegenden Blechlamellen gebildet. Die einzelnen Blechlamellen bestehen jeweils aus einem magnetischen Werkstoff der eine

Kornorientierung aufweist. Die Ausrichtung der Textur ist in der Figur 1 mit den Pfeilen 4', 4'', 4''' (Schenkel) bzw. mit den Pfeilen 5', 5'' (Joch) gekennzeichnet. Gemäß der Erfindung wird bei der Herstellung des Blechpakets für die beiden Schenkelteile 2 ' und 2 ' ' ein magnetischer Werkstoff verwendet, dessen Kornorientierung geringer ist als die Kornorientierung des magnetischen Werkstoffs, der für die Blechlamellen der drei Schenkelteile 3', 3'', 3'"' verwendet wird. Mit anderen Worten, für die Jochteile 2', 2'' wird konventionelles kornorientiertes Elektroblech (CGO)

verwendet, für die Schenkelteile 3', 3'', 3'"' hochpermeables kornorientiertes Elektroblech, so genanntes HGO-Elektroblech . Die Materialkosten für CGO-Blech sind geringer als für HGO- Blech. Dadurch wird erreicht, dass die Materialkosten bei der Herstellung des Transformatorkerns insgesamt sich verringern.

Beispiel : Es wurde ein elektrischer Transformator gebaut, bei dem das obere Jochteil 2 ' aus einem lamellierten Blechpaket gebildet ist, bei dem für die einzelnen Blechlamellen ein

konventionelles Material (CGO) verwendet wurde, welches spezifische Wattverluste von maximal 1,3 W/kg bei einer Flussdichte von 1,7 Tesla aufweist und dessen Dicke 0,3 mm betrug. Die drei Schenkelteile 3', 3'', 3'"' wurden

demgegenüber aus Blechlamellen eines hochpermeablen Materials (HGO) hergestellt. Bei diesem hochpermeablen kornorientierten Material (HGO) betrugen die spezifischen Wattverluste maximal 1,05 W/kg bei einer magnetischen Flussdichte von 1,7 Tesla und einer Nenndicke von 0,3 mm. Diese erste Konfiguration des Transformators wurde messtechnisch untersucht.

Danach wurde das obere Joch-Blechpaket wieder ausgeblecht und mit einem hochpermeablen Material (HGO) ersetzt und wieder eingeblecht, so dass der Kern nun zur Gänze aus Blechlamellen aus dem hoch qualitativen magnetischen Werkstoff HGO bestand. Auch diese zweite Konfiguration des Transformators wurde vermessen .

Ein Vergleich der beiden Messungen zeigte, dass diese zweite Konfiguration des Transformatorkerns, der zur Gänze aus der Güte HGO bestand, nahezu die gleichen Verluste aufwies, wie die erste Konfiguration, bei dem ein Jochteil aus

Blechlamellen eines konventionellen kornorientierten CGO- Elektroblech gebildet war. Im Ergebnis konnte damit gezeigt werden, dass durch die

Verwendung von verschiedenen Blechqualitäten (kostengünstiges konventionelles Material in den Jochen und teueres

hochpermeables Material in den Schenkeln) die Materialkosten von Transformator-Dreischenkelkernen deutlich gesenkt werden können. Ferner konnte festgestellt werden, dass andere gewünschte Betriebseigenschaften durch diesen "gemischten" Aufbau des Kerns sich nicht wesentlich verschlechterten. Auch die Geräuschentwicklung der ersten und zweiten Konfiguration unterscheidet sich kaum.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das oben dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Transformators mit drei Schenkeln näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das offenbarte Beispiel eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So versteht sich, dass die Erfindung ebenso auf andere elektrische Maschinen, insbesondere andere Bauformen von Transformatoren wie Einphasen-Transformatoren oder Fünfphasen-Transformatoren oder Drosseln anwendbar ist.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

Transformatorkern

Jochteile

Schenkelteile

Kornorientierung in einem Schenkelte Kornorientierung in einem Jochteil Gehrung

Dach