Kern für einen Transformator oder eine Spule sowie Transformator mit einem solchen Kern

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kern (1) für einen Transformator oder eine Spule. Erfindungsgemäß ist der Kern durch eine Anordnung aus zumindest einer ersten Kernschicht (2) aus amorphem Kernmaterial und einer zweiten Kernschicht (3) aus Elektroblech gebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kern für einen Transformator oder eine Spule sowie einen Transformator oder eine Spule mit einem solchen Kern.

[0002] Zur Reduzierung der Leerlaufverluste und zur Verringerung der thermischen Belastung von Transformatoren oder Spulen werden zunehmend Kerne aus amorphem Material eingesetzt. Bedingt durch die geringe Materialstärke des amorphen Kernmaterials sind bisher derartige Kerne als Wickelkerne ausgebildet. Gestapelte Kerne sind üblicherweise aus Elektroblechen hergestellt. Darüber hinaus weist amorphes Kernmaterial eine niedrigere Sättigungsinduktion auf als herkömmliche Elektrobleche, so dass amorphes Kernmaterial üblicherweise nur bei Verteiltransformatoren kleiner Leistung eingesetzt wird.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kern für einen Transformator oder eine Spule anzugeben, welcher variabel einsetzbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung einen Transformator oder eine Spule mit einem verbesserten Kern anzugeben.

[0004] Hinsichtlich des Kerns wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Transformators und der Spule wird die Aufgabe durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.

[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0006] Der erfindungsgemäße Kern für einen Transformator oder eine Spule ist durch eine Anordnung gebildet aus zumindest einer ersten Kernschicht aus amorphem Kernmaterial und einer zweiten Kernschicht aus Elektroblech. Durch den Verbund einer ersten Kernschicht aus amorphem Kernmaterial und einer zweiten Kernschicht aus herkömmlichem Elektroblech ist ein Kern mit verbesserten elektromagnetischen Eigenschaften gegeben. So können durch den Einsatz von amorphem Kernmaterial bei einem Transformator Leerlaufverluste des Transformators deutlich gesenkt werden. Durch die Kombination von Kernschichten herkömmlicher Elektrobleche und Kernschichten amorphen Kernmaterials kann die Sättigungsinduktion gegenüber Kernen nur aus amorphem Kernmaterial erhöht werden. Daraus resultieren Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Geometrie, Raum, Material und Produktion.

[0007] Durch die Kombination von Kernschichten herkömmlicher Elektrobleche und Kernschichten amorphen Kernmaterials kann darüber hinaus amorphes Kernmaterial auch zur Stapelverarbeitung und somit in gestapelten Kernen angewendet werden. Hierdurch ist die Verwendung von amorphem Kernmaterial auch in Transformatoren hoher Leistung, insbesondere in sogenannten Leistungstransformatoren ermöglicht, so dass auch bei Leistungstransformatoren Leerlaufverluste deutlich verringert werden können.

[0008] In einer möglichen Ausführungsform ist die erste Kernschicht aus amorphem Kernmaterial aus mehreren aufeinander liegenden amorphen Lagen des amorphen Kernmaterials gebildet. Hierdurch können bei Verwendung eines Kerns aus einer ersten Kernschicht aus mehreren amorphen Lagen in einem Transformator Leerlaufverluste deutlich reduziert werden.

[0009] Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Kernschicht aus Elektroblech aus mehreren aufeinander liegenden Lagen von Elektroblechen gebildet sein. Hierdurch kann die Sättigungsinduktion erhöht werden.

[0010] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Zwischenschicht zwischen zwei angrenzenden Kernschichten angeordnet ist. Die Zwischenschicht kann dabei als eine elektrische Isolationsschicht, eine elastische Schicht und/oder Abstandsschicht ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können Abstände zwischen den Kernschichten vorgesehen sein.

[0011] Durch die Abstände bzw. die Zwischenschicht, welche eine geringe bis vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit haben, können beispielsweise die Ausbreitung von Wirbelströmen und daraus resultierende Kernbrände vermieden werden. Hierzu ist die Zwischenschicht beispielsweise als elektrische Isolationsschicht, z. B. Harz- oder Polymerschicht, ausgebildet. Alternativ kann die Zwischenschicht als elastische Schicht, z. B. Silikonschicht, zur Schalldämmung ausgebildet sein.

[0012] In einer möglichen Ausführungsform kann die Zwischenschicht aus Leisten oder Abstandshaltern, z. B. stegförmige Profilrahmen, gebildet sein, wodurch Zwischenräume, insbesondere Luftspalten, zwischen den Kernschichten des Kerns gebildet sind, welche eine Strömung von Kühlmittel ermöglichen.

[0013] In einer weiteren Ausführungsform sind die erste und zweite Kernschicht mit oder ohne Zwischenschichten, insbesondere wiederholend in einer Schichtfolge oder einem Teilstapel übereinander angeordnet. Mit anderen Worten: Der Kern ist aus einer Folge von übereinander angeordneten oder gestapelten Kernschichten unterschiedlichen Materials und somit aus erster und zweiter Kernschicht mit oder ohne Zwischenschicht gebildet. Die Schichtfolge oder die Teilstapelfolge von übereinander angeordneten Kernschichten unterschiedlichen Materials und/oder Zwischenschichten kann dabei beliebig sein.

[0014] Darüber hinaus können die Kernschichten und/oder die Zwischenschichten miteinander fixiert werden. Insbesondere sind die Kernschichten und/oder die Zwischenschichten stoffschlüssig miteinander verbunden, z. B. geklebt. Ferner können auch die Lagen der jeweiligen Kernschicht miteinander fixiert, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Durch die Fixierung sowohl der Kernschichten und/oder Zwischenschichten als auch der Lagen der jeweiligen Kernschicht wird der Kern in Form, d.h. der Stapel oder der Wickel in Form, gehalten.

[0015] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schichtfolge oder der Teilstapel aus zumindest zwei oder mehreren verschiedenen Kernschichten aus verschiedenen Materialien gewickelt bzw. gestapelt ist.

[0016] Erfindungsgemäße Transformatoren oder Spulen weisen einen Kern mit den zuvor beschriebenen Merkmalen auf, wobei der Kern in einer ersten möglichen Ausführungsform als Wickelbandkern aus einer Schichtfolge von Kernschichten unterschiedlichen Materials, insbesondere aus Bandmaterial aus amorphem Kernmaterial und Elektroblechen oder Elektrobandmaterial, gebildet ist. Alternativ kann der Kern aus einzelnen Stapeln aus Teilstapeln von Kernschichten unterschiedlichen Materials, insbesondere aus Bandmaterial aus amorphen Kernmaterial und Elektroblechen oder Elektrobandmaterial gebildet sein.

[0017] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

FIG 1

schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Kern in einem Ausschnitt, wobei der Kern aus einer ersten Kernschicht aus amorphem Kernmaterial und einer zweiten Kernschicht aus Elektroblechen gebildet ist,

FIG 2

schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Kern in einem Ausschnitt, der aus einer Schichtfolge abwechselnder erster und zweiter Kernschichten gebildet ist,

FIG 3

schematisch eine Ausführungsform für einen Teilstapel-Aufbau eines Kerns im Ausschnitt mit einer ersten Kernschicht aus stapelbaren amorphem Kernmaterial und angrenzender zweiter Kernschichten aus stapelbaren Elektroblechen,

FIG 4

schematisch eine Ausführungsform für einen Kern im Ausschnitt aus einem Stapel aus mehreren Teilstapeln gemäß Figur 3, und

FIG 5 bis FIG. 7

Diagramme mit Kerninduktionsverläufen für verschiedene Kerne aus unterschiedlichen Kernmaterialien.

[0018] Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0019] Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kerns 1, insbesondere eines sogenannten Transformator- oder Drosselkerns für einen nicht näher dargestellten Transformator bzw. eine Spule.

[0020] Der Kern 1 ist aus einer ersten Kernschicht 2 aus amorphem Kernmaterial und zwei zweiten Kernschichten 3 aus Elektroblech gebildet. Die erste Kernschicht 2 ist zwischen den beiden zweiten Kernschichten 3 angeordnet und somit als eine innere Schicht ausgebildet, so dass für den Kern 1 eine Schichtfolge F1 aus Kernschichten 2, 3 mit abwechselnd unterschiedlichem Material gegeben ist.

[0021] Das amorphe Kernmaterial ist beispielsweise eine auf Eisen basierende Legierung, welche in einem Rascherstarrungsprozess von der Legierungsschmelze in den festen Zustand übergeführt wurde. Hierdurch erstarren die Atome ungeordnet und bilden keine kristalline Struktur aus. Die daraus resultierende zufällige Anordnung der Atome verringert deutlich die Reibung während einer Ummagnetisierung des Kerns 1.

[0022] Die erste Kernschicht 2 kann dabei aus mehreren Lagen L1 bis Ln des amorphen Kernmaterials gebildet sein. Die erste Kernschicht 2 kann dabei eine Dicke von 0,01 mm bis 1,5 mm aufweisen. Die einzelne Lage L1 bis Ln oder Schicht des amorphen Kernmaterials kann dabei wesentlich dünner als herkömmliche Elektrobleche ausgebildet sein. Beispielsweise weist die einzelne Lage L1 bis Ln oder Schicht eine Dicke von 0,01 bis 0,2 mm auf.

[0023] Alternativ und nicht näher dargestellt, kann die erste Kernschicht 2 auch nur aus einer Lage L1 des amorphen Kernmaterials gebildet sein.

[0024] Die Lagen L1 bis Ln des amorphen Materials, insbesondere amorphen Bandmaterials, der ersten Kernschicht 2 liegen dabei planparallel aufeinander und sind miteinander fixiert, insbesondere geklebt.

[0025] Die zweite Kernschicht 3 ist aus einer Lage E1 von Elektroblechen gebildet. Alternativ kann die zweite Kernschicht 3 auch aus mehreren Lagen L1 bis Ln von Elektroblechen gebildet sein.

[0026] Als Elektrobleche werden insbesondere Bleche aus magnetisch permeablem Material, z. B. weichmagnetische Bleche mit geringem Kohlenstoffgehalt und Siliziumgehalt, verwendet. Die Elektrobleche sind beispielsweise aus Nickel-Eisen, Eisen, Siliziumstahl, Eisen-Kobalt-Liegerungen. Gegenüber der Lagen L1 bis Ln aus amorphen Materials ist die Lage E1 aus Elektroblech vergleichsweise steifer ausgebildet, so dass die äußeren Lagen des Kerns 1 vorzugsweise aus Lagen E1 bis Em aus Elektroblechen gebildet sind.

[0027] Die Elektrobleche sind etwas dicker als die Lagen L1 bis Ln oder Schichten des amorphen Kernmaterials und weisen eine Dicke von 0,1 bis 1,2 mm, insbesondere von 0,2 mm bis 0,4 mm, auf.

[0028] Figur 2 zeigt schematisch im Ausschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Kern 1 aus zwei übereinander angeordneten Schichtfolgen F1 bis F2. Alternativ kann der Kern 1 auch aus mehr als zwei Schichtfolgen F1 bis Fz gebildet sein. Die Schichtfolgen Fz weisen, wie in Figur 1 beispielhaft dargestellt, abwechselnd Kernschichten 2, 3 unterschiedlichen Materials auf.

[0029] Die in Figuren 1 und 2 dargestellten ersten und zweiten Kernschichten 2, 3 sind insbesondere aus Bandmaterial gebildet und dienen zur Herstellung eines gewickelten Kerns, der nicht näher dargestellt ist und der ringförmig mit polygonem, insbesondere rechteckförmigem, rundem oder ovalem Grundriss gewickelt wird.

[0030] Figur 3 zeigt im Ausschnitt schematisch eine alternative Ausführungsform für einen Teilstapel-Aufbau eines Kerns 1 mit einer ersten Kernschicht 2 aus stapelbaren amorphem Kernmaterial und angrenzender zweiter Kernschichten 3 aus stapelbaren Elektroblechen. Der Kern 1 weist einen polygonalen Grundriss auf. Alternative Grundrisse, insbesondere rechteckförmige oder ovale oder runde Grundrisse sind ebenfalls möglich.

[0031] Die jeweilige Kernschicht 2 und 3 kann dabei aus einer oder mehreren Lagen L1 bis Ln aus stapelbarem amorphen Kernmaterials bzw. aus einer oder mehreren Lagen E1 bis Em aus stapelbaren Elektroblechen (auch Kernbleche genannt) gebildet sein. Die abwechselnde Anordnung der Kernschichten 2 und 3 unterschiedlichen Materials aus einer oder mehreren Lagen L1 bis Ln bzw. E1 bis Em bildet dabei einen Teilstapel S1.

[0032] Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Kern 1, der aus mehreren übereinander angeordneten Teilstapeln S1 bis Sz gebildet ist, wobei die Teilstapel S1 bis Sz gleiche Folgen von abwechselnden Lagen L1 bis Ln bzw. E1 bis Em unterschiedlichen Materials aufweisen können.

[0033] Mit anderen Worten: Ein Kernstapel kann sich aus mehreren Teilstapeln S1 bis Sz zusammensetzen, wobei der jeweilige Teilstapel S1 bis Sz wiederum aus mehreren Lagen L1 bis Ln, E1 bis Em gleichen oder unterschiedlichen Materials zusammengesetzt sein kann. Beispielsweise folgt auf mindestens eine Lage L1 oder vorzugsweise auf mehrere parallele Lagen L1 bis Ln aus amorphem Material zumindest eine Lage E1 eines vergleichsweise steifen und stapelbaren Elektroblechmaterials. Die Reihenfolge der Lagen L1 bis Ln, E1 bis Em kann dabei beliebig sein.

[0034] Die Lage E1 bis Em aus stapelbarem Elektroblechmaterial dient dabei als Stapelauflage für die dünneren Lagen L1 bis Ln aus amorphem Kernmaterial.

[0035] Darüber hinaus kann die jeweilige Lage L1 bis Ln und/oder E1 bis Em selbst aus mehreren Schichten oder Lagen des zugehörigen Materials gebildet sein.

[0036] Ferner sind die Lagen L1 bis Ln des dünnen, amorphen Materials vorzugsweise begrenzt durch steife, stapelbare Lagen E1 bis Em aus Elektroblech, so dass die Lage L1 bis Ln aus amorphem Material zwischen zwei Lagen E1 bis Em aus Elektroblech eingeschlossen ist und die Lagen E1 bis Em aus Elektroblech als Stapelauflage dienen.

[0037] Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass zwischen den Kernschichten 2 und 3 und/oder zwischen den Lagen L1 bis Ln, E1 bis Em und/oder in den Teilstapeln S1 bis Sz und/oder zwischen den Teilstapeln S1 bis Sz zumindest eine Zwischenschicht ZS angeordnet sein kann. Die Zwischenschicht ZS kann aus schalldämmendem oder elektrisch isolierendem Material oder aus Abstandshaltern, -leisten oder -stegen gebildet sein.

[0038] Ferner sind sowohl die Kernschichten 2 und 3 als auch die Lagen L1 bis Ln und/oder deren Schichten, die Teilstapel S1 bis Sz oder Schichtfolgen F1 bis Fz und gegebenenfalls die Zwischenschicht ZS, wenn vorhanden, miteinander fixiert, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, z. B. verklebt.

[0039] Die Figuren 5 bis 7 zeigen verschiedene Diagramme mit Kerninduktionsverläufen für verschiedene Kerne 1 mit unterschiedlichem Anteil von amorphem Kernmaterial.

[0040] So zeigt die Figur 5 ein Diagramm für den Verlauf der Kerninduktion B für einen Kern 1 mit einem Anteil an amorphem Kernmaterial von 0 %.

[0041] Die Figur 6 zeigt ein Diagramm für den Verlauf der Kerninduktion B für einen Kern 1 mit einem Anteil an amorphem Kernmaterial von 50 %.

[0042] Die Figur 7 zeigt ein Diagramm für den Verlauf der Kerninduktion B für einen Kern 1 mit einem Anteil an amorphem Kernmaterial von 99,9 %.

[0043] Die Verläufe der Kerninduktion B zeigen, dass bei Verringerung des Anteils an amorphem Material im Kern 1 die mittlere Kerninduktion Bm höher als die Kerninduktion Bs in Elektroblechen oder die Kerninduktion Ba im amorphen Material eingestellt werden kann.

[0044] Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte 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.

Ansprüche

1. Kern (1) für einen Transformator oder eine Spule, gekennzeichnet durch eine Anordnung gebildet aus zumindest einer ersten Kernschicht (2) aus amorphem Kernmaterial und einer zweiten Kernschicht (3) aus Elektroblech.

2. Kern (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kernschicht (2) eines amorphen Kernmaterials aus mehreren aufeinander liegenden amorphen Lagen (L1 bis Ln) des amorphen Kernmaterials gebildet ist.

3. Kern (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kernschicht (3) aus Elektroblech aus mehreren aufeinander liegenden Lagen (E1 bis Em) des Elektroblechs gebildet ist.

4. Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zwischenschicht (ZS) zwischen zwei angrenzenden Kernschichten (2, 3) angeordnet ist.

5. Kern (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (ZS) als eine elektrische Isolationsschicht, eine elastische Schicht und/oder Abstandsschicht ausgebildet ist.

6. Kern (1) nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Kernschichten mit oder ohne Zwischenschichten (ZS) wiederholend in einer Schichtenfolge (F1 bis Fz) oder in einem Teilstapel (S1 bis Sz) übereinander angeordnet sind.

7. Kern (1) nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschichten (2, 3) und/oder die Zwischenschichten (ZS) miteinander fixiert sind, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

8. Kern (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (L1 bis Ln, E1 bis Em) der Kernschichten (2, 3) miteinander fixiert, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

9. Kern (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge (F1 bis Fz) oder der Teilstapel (S1 bis Sz) aus zumindest zwei verschiedenen Kernschichten aus amorphem Kernmaterial und Elektroblech gewickelt bzw. gestapelt ist.

10. Transformator oder Spule mit einem Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kern (1) als Wickelbandkern aus einer Schichtfolge (F1 bis Fz) von Kernschichten (2, 3) verschiedenen Materials, insbesondere Bandmaterial aus amorphen Kernmaterial und Elektroblech, gebildet ist.

11. Transformator oder Spule mit einem Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kern (1) aus einem einzelnen Stapel aus Teilstapeln (S1 bis Sz) von Kernschichten (2, 3) verschiedenen Materials, insbesondere aus stapelbarem Bandmaterial aus amorphem Kernmaterial und Elektroblech, gebildet ist.

Zeichnung