Der Kern eines
Transformators
hat die Aufgabe den magnetischen Kreis
zu schließen und dabei möglichst den Wirkungsquerschnitt des
magnetischen Feldes ganz auszufüllen.
Der Trafokern ist meistens in
Bleche
aufgeteilt, die aus einem
magnetischen Werkstoff bestehen.
Man verwendet als Kernmaterial eine Eisenlegierung mit Silizium, um
den elektrischen Widerstand zu erhöhen (
Wirbelstromverluste).
Dieses Material kann nach einem speziellen
Verfahren kaltgewalzt werden, wodurch es eine magnetische
Vorzugsrichtung
bekommt.
Je größer ein Transformator ist, desto mehr wird sein
Kernquerschnitt der Kreisform angenähert. Dies geschieht durch
Abstufen des Kerns (Stufenkern). Kleine Transformatoren haben wegen
der geringeren Herstellungskosten einen rechteckigen Kern. Auch die
axiale Form des Kerns kann gegenüber dem rechteckigen
Entwurfsmuster optimiert werden. Die rechteckige Bauweise hat
nämlich den Nachteil, daß an den Übergängen der
einzelnen Blechpakete Streufelder und erhöhte Eisenverluste
enstehen.
Bei einem Schnittbandkern verlaufen die Feldlinien immer
ungefähr in der Vorzugsrichtung des Materials, weil die Bleche an
den Enden zueinander hin gebogen sind. Daraus resultiert ein hoher
Wirkungsgrad
wegen geringer
Leerlaufverluste.
Ein Ringkerntrafo hat aus diesem Grund einen torusförmigen
Ferritkern, mit dem fertigungstechnischen Nachteil, daß die
Wicklungen schwer auf den geschlossenen Kern aufzubringen sind.
Drehstrom - Trockentransformatorkerne werden gefertigt, indem zunächst die Bleche mit der Kernschneidemaschine zugeschnitten und in den richtigen Mengen abgezählt werden. Dann werden die Blechpakete im Joch und die Enden der Schenkel durch ein Preßeisen zusammengedrückt, um die Bleche im Kern möglichst dicht zu komprimieren. Am Ende der Fertigung werden die Joche durch Zugstangen aufeinander zu gezogen. Das ist nötig, weil schon ein sehr kleiner Luftspalt zwischen Schenkeln und Jochen eine deutliche Erhöhung des magnetischen Widerstands und damit des Leerlaufstroms verursacht.
Bild K.1: Warum ein Drehstromtransformator mit drei Schenkeln auskommt
Bild K.2: Fünfschenkelkerntransformator als magnetisches Widerstandsnetzwerk mit drei Spannungsquellen
Das obige Widerstandsnetzwerk soll zeigen, daß ein vorhandener magnetischer Rückfluß doch beansprucht wird, wenn man ihn nicht in der Mitte, sondern an den äußeren Schenkeln anbringt. Dieses Widerstandsnetzwerk ist nicht für eine genaue Berechnung geeignet. Es dient nur dazu festzustellen, ob die zusätzlich angebrachten Schenkel etwas nützen.
Ein Fünfschenkelkerntransformator bringt hauptsächlich dann Vorteile, wenn man z.B. um einen großen Transformator per Bahn zu transportieren, eine geringe Bauhöhe beabsichtigt. Die äußeren Schenkel werden nur durchflossen, weil der magnetische Widerstand der Joche gegenüber dem der Schenkel nicht vernachlässigt werden kann. Das bedeutet, daß das Joch in der Mitte durch die äußeren Schenkel flußmäßig entlastet wird. Dadurch kann man an den Jochen oben und unten Bauhöhe sparen, wenn man sie für die gleiche Flußdichte wie die Schenkel auslegt.
Bild K.3: Mantelkerntransformator (gestrichelte Linie ist Trennlinie zwischen Primär- und Sekundärseite)
Der Mantelkerntransformator ist die häufiger verwendete Bauart für kleine Einphasentransformatoren. Er ist kostengünstiger zu produzieren, weil er nur einen Spulenkörper hat. Seine Bauhöhe und sein Eisengewicht sind geringer als bei dem Kerntransformator.
Die beim Kleintrafobau für diesen Kerntyp verwendeten Bleche werden abfallos in einer nach dem Aussehen der Buchstaben als "EI" bezeichneten Form gestanzt. Das Joch wird dabei aus dem freiwerdenden Zwischenraum für die Wicklungen gewonnen. Aus der Form der Bleche wird ersichtlich, daß hier eine Verwendung von kornorientierten Material mit Vorzugsrichtung keinen Sinn macht und man auf dessen Vorteile verzichten muss.
Bild K.4: Kerntransformator mit Primär- und Sekundärwicklung auf verschiedenen Schenkeln
Für größere Leistungen wird oft der Einphasen-Kerntransformator verwendet, weil der Wärmeaustausch der Wicklungen mit der Umgebung dort besser funktioniert. Ein weiterer Grund für die Verwendung des Mantelkerns bei eher kleinen Transformatoren ist die geometrische Unmöglichkeit einen effizienten kreisförmigen Kernquerschnitt aus seinen zwei Blechpaketen herzustellen. Man verschenkt so nämlich bei den Übergängen auf das Joch wertvolle Querschnittsfläche. Bei einem Einphasen- Kerntransformator, der durch Kernschneiden hergestellt wurde, hat man dieses Problem nicht.
Primär- und Sekundärwicklungen über beide Schenkel
verteilt:
Bessere Verstellmöglichkeiten des Spannungs / Strombereichs durch
Paralell / Reihenschaltung der Wicklungen auf den verschiedenen
Schenkeln
Bei dieser Bauweise muß man die Wicklungen im richtigen Sinn zueinander schalten. Wenn man z.B. die primären Wicklungsstränge so verschaltet, daß ihre Magnetfelder sich aufheben, resultiert daraus ein sehr hoher Leerlaufstrom und der Transformator funktioniert nicht.
Primär- und Sekundärwicklungen auf verschiedenen Schenkeln
aufgebracht:
Gute Isolation zwischen Primärseite und Sekundärseite durch
großen Abstand. Größeres Streufeld, weil jede Seite
nur noch die halbe Wickellänge hat.
Die Kernform von gestanzten rechteckigen Kernen dieser Art bezeichnet man mit "UI". Sie wird ähnlich wie die Form "EI" bei Mantelkerntransformatoren abfallos gestanzt und bei kleineren Transformatoren angewendet als das Kernschneideverfahren.
Die Herstellung durch Kernschneiden ermöglicht die Verwendung kornorientierter Bleche. Man hat dann allerdings zwei Luftspalte mehr in dem magnetischen Kreis.
Beim Ringkerntransformator sind die Primären und Sekundären
Wicklungen über die Länge des ganzen Kerns verteilt. Die
mittlere Feldlinienlänge, die für viele Berechnungen
benötigt wird, entspricht nicht der Mittellinie in dem Torus, weil
innen die Leiter zwangsläufig dichter angeordnet sind als
außen. Infolge des
Durchflutungssatz
ist die mittlere Feldlinienlänge, also die Länge der
Trennlinie, die den magnetischen Fluß in zwei gleich große
Teile teilt, kürzer als die geometrische Mittellinie.
Das
Ferritmaterial eines Ringkerntransformators hat einen geringeren
magnetischen Leitwert als Trafobleche, ist aber aufgrund geringerer
Wirbelstromverluste besser für hohe Frequenzen geeignet. Es wird
verwendet, weil sich Trafobleche ohne Beeinträchtigung ihrer
Eigenschaften nicht so stark biegen lassen.
Kernform und Material ermöglichen außerdem die günstige Eigenschaft des Magnetkreises luftspaltfrei zu sein.
Die Leiter müssen bei der Herstellung eines Ringkerntrafos von Hand oder mit einer sehr komplizierten Maschine um den Kern gewickelt werden.
Die Kerne von Drosseln werden auch in den drei hier beschriebenen Bauweisen hergestellt. Größere Drosseln werden dabei häufig als Kern-Typ gefertigt. Kleine Drosseln kann man oft leichter in der Mantelkern- Ausführung bauen. Für Funkentstörung und hohe Frequenzen (z.B. in Schaltnetzteilen) verwendet man Ringkerne aus Ferrit.