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Transformator für elektrische Lichtbogejischweissung.
Für das Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom braucht man bei Stromstärken über etwa 60-70 Amp. eine Leerlaufspannung von zirka 60 Volt. Wenn man sukzessive kleinere Ströme wählt, so ist für günstige Lichtbogenverhältnisse notwendig, dass die Leerlaufspannung sukzessive erhöht wird, derart, dass man für kleine Ströme von zirka 15 Amp. schliesslich auf eine Leerlaufspannung von 80 bis 90 Volt kommt.
Ferner müssen Schweisstransformatoren erlauben, zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert des Schweissstromes, die meistens im Verhältnis von zirka 1 : 10 liegen, eine ganze Reihe von Zwischenwerten einzustellen ; am günstigsten ist es, wenn die Schweissströme zwischen dem Minimal-und Maximalwert kontinuierlich, d. h. stufenlos eingestellt werden können.
So sind Sehweisstransformatoren bekannt geworden, bei denen ein Transformator mit einer Drosselspule zusammengebaut ist und bei denen der Schweissstrom reguliert werden kann, entweder durch Anzapfungen auf der Drosselspule oder durch Variation von mindestens einem Luftspalt im Eisenkern der Drosselspule. Um die für die jeweilige gewünschte Stromstärke passende Leerlaufspannung zu erhalten, werden auf der Transformatorwicklung Anzapfungen oder Umschaltungen, z. B. serieparallel, vorgesehen und zu Klemmen geführt ; bei den verschiedenen Schweissarbeiten müssen dann jeweils die Schweisskabel an die entsprechenden Spannungsklemmen angeschlossen werden.
Um die Transformatoren nicht zu sehr zu komplizieren, begnügt man sich meistens mit zwei Leerlaufspannungen.
Es ist auch eine Lösung bekannt geworden, bei welcher die Ströme mittels Anzapfungen eingestellt werden können und dabei die Schaltung derart gewählt ist, dass mit der Einstellung der Anzapfungen für kleinere Ströme sieh gleichzeitig auch eine höher werdende Leerlaufspannung ergibt.
Trotz der dadurch erzielten Vorteile hat dieser Apparat den Nachteil, dass er viele teure Anzapfungen und einen teuren Stufenschalter benötigt und trotzdem dem stufenlosen Apparat bezüglich Stromeinstellung unterlegen ist.
Die Erfindung betrifft nun einen Transformator für elektrische Lichtbogenschweissung, der mit einer durch Verändern eines Luftspaltes kontinuierlich regulierbaren Drosselspule zusammengebaut ist. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass sieh der veränderliche Luftspalt im Inneren der Drosselwicklung befindet und der Aufbau und die Zusammenschaltung von Transformator und Drosselspule derart ausgeführt sind, dass der Teil des durch die Primärwicklung des Transformators erzeugten magnetischen'Flusses, der im Leerlauf durch den Kern der Drosselspule fliesst, in dieser eine Spannung induziert, die sich zu der in der Sekundärwicklung erzeugten Spannung addiert und diese somit selbsttätig vergrössert, u. zw.
in um so stärkerem Masse vergrössert, je kleiner die eingestellten Schweissströme sind, in Übereinstimmung mit den physikalischen Bedingungen für einen stabilen Lichtbogen.
Der Transformator gemäss der Erfindung hat also ebenfalls stufenlose Stromregulierung mittels Variieren mindestens eines Luftspaltes einer Drosselspule, braucht also hiefür keine Anzapfungen und Regulierschalter. Dabei hat der Transformator jedoch den grossen Vorteil, dass mit der kontinuierlichen Regulierung des Schweissstromes auch die Leerlaufspannung gleichzeitig selbsttätig und kontinuierlich verändert wird, derart, dass einem grossen Luftspalt der Drosselspule ein grosser Schweissstrom mit kleiner Leerlaufspannung entspricht und mit kleiner werdendem Luftspalt nicht nur der Schweissstrom kontinuierlich verkleinert, sondern gleichzeitig die Leerlaufspannung kontinuierlich grösser wird.
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Der Grössenordnung nach können die Verhältnisse ohne weiteres so gewählt werden, dass für die grossen Ströme über etwa 100-120 Amp. sich die minimale Leerlaufspannung von zirka 60 Volt angenähert konstant ergibt, dass aber mit kleiner werdenden Strömen die Leerlauf Spannung zunächst langsam, dann aber immer rascher ansteigt mit hyperbelähnliehem Charakter und schliesslich für den kleinsten Strom von zirka 20 Amp. die maximale Leerlaufspannung von zirka 80 bis 90 Volt erreicht.
Ein Umklemmen der Schweisskabel an Klemmen anderer Spannung ist daher nicht mehr nötig und falsche Handhabung ist unmöglich. Das gleiche Prinzip erlaubt aber auch, wie später gezeigt wird, an der eigentlichen Transformatorenwieklung mit erheblich kleineren Spannungen als der jeweils nötigen Leerlaufspannung auszukommen. Dementsprechend kann der Transformator kleiner gebaut werden, nimmt kleinere Scheinleistung aus dem Netz und ergibt einen günstigeren Leistungsfaktor.
Ferner sind oft Liehtbogenschweisstransformatoren mit kontinuierlicher Stromregulierung vorgeschlagen worden, die den grossen Nachteil starker vagabundierender Streuungen haben. Diese ergeben grosse Verluste und Erwärmungen in Spulen und insbesondere in benachbarten Eisenkonstruk- tionsstellen. Ferner wird durch diese grosse Streuung der Regulierbereieh des Stromes für eine gegebene maximale Variation des Luftspaltes der Drosselganz wesentlich verkleinert. Beim Erfindungsgegenstand
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Desgleichen sind Lichtbogenschweisstransformatoren mit angebauter Drosselspule und mit kontinuierlich regulierbarem Luftspalt bekannt geworden, bei welchem die Drosselwicklung auf bewegliehen Kernteilen festsitzt und beim Variieren des Luftspaltes ebenfalls mitbewegt wird.
Dies hat den Nachteil, dass die Stromzuführungen zur Drosselspule aus sehr flexiblen Kabeln hergestellt werden müssen, weil sie sonst abbrechen würden. Ferner ist bekannt, dass bei solchen Bauarten, durch das vielfach vorkommende Vibrieren des beweglichen Eisenkern, die Verkeilungen der Spulen sieh mit der Zeit lockern, worauf die Wicklungen zu schütteln beginnen, was zu Windungsschlüssen und andern Defekten Anlass gibt. Gemäss der Erfindung ist die Wicklung derart angeordnet, dass sie beim Variieren des Luftspaltes fest sitzen bleibt und nur der leere Eisenkern ohne jegliche Wicklungsteile sich bewegt.
Lichtbogenschweisstransformatoren mit stufenloser Stromregulierung haben auch vielfach den Nachteil, unangenehmer Vibrationen und Geräuschbildung, da es nicht leicht ist, Kernteile der Drosselspule beweglich zu gestalten und dennoch mechanisch völlig fest zu halten. Auch diese Schwierigkeit ist durch die Erfindung in einwandfreier, neuartiger Weise ohne merkliche Verteuerung des Apparates gelöst worden, indem der bewegliche Kernteil der Drosselspule mindestens an dem einen seiner Enden mit den festen Kernteilen verzapft ausgeführt wird.
Die Einzelheiten der Erfindung sollen an einigen Beispielen erläutert werden. In den Fig. 1-5 ist 1 der eigentliche Transformatorkern mit der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 3. Der mittlere Kern 2 ist unbewiekelt. Der Kern 3 ist beweglich, z. B. um eine Achse 6 drehbar. 7 ist die Drosselwicklung ; dieselbe ist an dem Joch l'befestigt, wird also beim Bewegen des Kerns. 3 nicht mitbewegt.
Im Leerlauf fliesst vom Kern 1 ein magnetischer Fluss, der sich, wie durch Pfeile angedeutet, auf die Kerne 2 und 3 verteilt, u. zw. im umgekehrten Verhältnis der magnetischen Widerstände der beiden Wege. Die Sekundärwicklung 5 ist mit der Drosselspulenwicklung 7 in Reihe geschaltet, derart, dass im Leerlauf der vom Kern 1 durch den Kern 3 fliessende magnetische Fluss in der Drossel 7 eine Spannung induziert, die sich zur Sekundärspannung der Wicklung 5 in positivem Sinne addiert. Je kleiner der Luftspalt 8, um so grösser ist im Leerlauf in Säule 3 der Fluss von Säule 1 her und um so grösser ist somit auch die in der Wicklung 7 induzierte zusätzliche Spannung.
Der Verlauf dieser Zusatzspannung in Wicklung 7 kann beeinflusst werden sowohl durch entsprechende Formgebung der beiden den Luftspalt 8 bildenden Pole, als auch durch Verändern des magnetischen Widerstandes der Säule 2 und damit der durch die Säule 2 fliessenden Flusskomponente. Beim Schweissen kehrt sich die Flussrichtung in Säule 3 um und schliesst sich durch den Kern 2. Dieser muss so bemessen sein, dass er die Summe der magnetischen Flüsse von Kern 1 und Kern 3 während des Schweissens aufnehmen kann.
Da bei der vorgeschlagenen Schaltung die in der Drosselspule im Leerlauf induzierte Spannung additiv zur Sekundärspannung wirkt, kann der Luftspalt für die schwachen Schweissströme bis auf Null verkleinert werden.
Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit, den Sehweissstrom ohne Anwendung von Anzapfungen in denkbar weitesten Grenzen zu wechseln. An Hand der Fig. 2 soll erklärt werden, wie die gewünschten Leerlaufspannungen an der Sekundärwicklung 5 erreicht werden können. Wie in Fig. 1 ist in Fig. 2 ebenfalls 2 die mittlere Säule, 3 der bewegliche Kern und 8 der Luftspalt. Der Luftspalt wird durch ein kleines Blechpaketehen 9 überbrückt, u. zw. bei jeder Weite des Luftspaltes. So kann man z. B. erreichen, dass im Leerlauf bei beliebig grossem Luftspalt 8 ein magnetischer Fluss von Säule 1 her über 9 durch Säule 3 fliesst, der in der Drosselwicklung 7 eine zusätzliche Spannung von beispielsweise etwa 20% erzeugt.
In solchem Fall kann der ganze Transformator einschliesslieh Drosselspule um etwa 20 kleiner gebaut werden und auch die aufgenommene Scheinleistung ist entsprechend kleiner. Natürlich beeinflusst das Blechpaketchen 9 auch die Möglichkeit der Regelung des Schweissstromes, aber nur in
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des normalen Flusses in 3 hoch gesättigt ist. Vorteilhaft weist das Material zur Überbrückung des Luftspaltes eine grosse magnetische Leitfähigkeit und eine sehr ausgeprägte Sättigungsgrenze, wie z. B. Permalloy, auf.
Neben dem konstanten Magnetfluss, der im Leerlauf über das Paketchen 9 bei jeder
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und mit Verkleinerung des Luftspaltes 8 anwachsende Fluss zwischen den Polen des Luftspaltes 8.
Der gleiche Zweck kann natürlich auch auf andere Art erreicht werden ; z. B. zeigt Fig. 3 eine weitere Möglichkeit, wie ein solch angenähert konstanter Magnetfluss in Verbindung mit einem veränderlichen erzeugt werden kann. Nach dieser Lösung kann man ohne eine getrennte magnetische Überbrückung 9 auskommen. Statt dieser Anordnung ist hier das obere Joch mit einem Fortsatz 10 ausgebildet, durch welchen im Leerlauf vom Kern 1 her ein magnetischer Fluss annähernd gleich gross bleibt, wenn der Luftspalt 8 verkleinert oder vergrössert wird. Natürlich muss auch hier der Fortsatz so bemessen sein, dass die Stromregelung mittels des Luftspaltes 8 nicht zu sehr beeinflusst wird.
In manchen Fällen ist es zweckmässig, im unbewickelten Rückschluss des Transformators einen Luftspalt vorzusehen, um im Leerlauf den Transformatorfluss in vermehrtem Masse durch den Kern der Drosselspule zu leiten.
In Fig. 3 ist eine weitere Beeinflussung des Magnetflusses im Leerlauf über den Kern angedeutet.
Das obere Joch l'wird bei 6'drehbar angeordnet, derart, dass beim Ausschwingen des beweglichen Kernes 3 sich der Fortsatz 10 und damit der drehbare Jochteil. ?' etwas hebt, so dass der Luftspalt 19 vergrössert wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass selbst bei grösserem Ausschwingen des
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über den Kern 3 nimmt.
In ebenfalls neuartiger Weise wird die erschütterungsfreie Befestigung des beweglichen Kernes J, wie in den Fig. 4,7, 8 und 9 näher dargestellt, vorgenommen. Fig. 7 zeigt den Grundriss des unteren
Joches 1", Fig. 8 dessen Seitenriss und Fig. 9 die Seitenansicht des beweglichen Kerns J. Wie daraus ersichtlich, greifen die Zapfen des einen Teils in die Nuten des andern ein, so dass eine feste, kamm- artige, eine Drehung zulassende Verbindung entsteht, die durch den Bolzen 6, wie in Fig. 4 dargestellt, gesichert und gepresst ist.
Eine mechanisch äusserst solide Bauweise erhält man, wenn man den beweglichen Kern 3 auch noch an seinem oberen Ende führt und festhält, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Im festen oberen Joch T oder auch am Winkel 22 sind in Nuten 20'magnetisch leitende Blechpaketchen 21 befestigt, die zapfen- artig vorstehen und in passend gelegene Nuten 20 im beweglichen Kern 3 kammartig eingreifen. Auf diese Weise wird nicht nur der bewegliche Kern 3 auch noch an seinem oberen Ende geführt, sondern es wird auch gleichzeitig die magnetische Überbrückung des variablen Luftspaltes, deren Wirkungsweise in der Fig. 2 näher erläutert wurde, in einfacher und solider Weise verwirklicht. In Fig. 4 a ist die
Darstellung dieser Bauweise noch durch die Wicklungen ergänzt.
Als Mittel für die Verstellung des beweglichen Eisenkerns dient, wie in Fig. 1 ersichtlich, z. B. eine Schraubenspindel 12 mit Links-und Rechtsgewinde und Schraubenmuttern 13 und . 3'. Zur Ablesung der Stromstärken kann eine Skala 14 auf einer Trommel angeordnet werden, die durch sich ab-oder aufwickelnde Kabel oder biegsame Bänder 15 gedreht wird, die mittels der Trommel 18 der
Schraubenspindel12 auf- oder abgewickelt werden. Durch das am Gehäuse 17 angebrachte Schauloch 16 kann die jeweils eingestellte Stromstärke abgelesen werden.
Wenn ein solcher Transformator dreiphasig angeschlossen werden soll, so kann dies in bekannter Weise mittels eines Spannungsteilers erfolgen. Es könnte aber auch eine Scott-Schaltung gewählt werden, wie in Fig. 5 und in dem Schema (Fig. 6) gezeigt ist, wo 4 und 4'die primären Wicklungen für Dreiphasenanschluss, 5 und 5'die sekundären Wicklungen bedeuten. Im Leerlauf fliessen von den beiden Kernen 1 und 23 zwei um 900 phasenverschobene Magnetflüsse, deren Resultierende zum Teil durch den Kern 2 und zum Teil durch den beweglichen Kern. 3 fliesst. Dieser resultierende Magnetfluss durch den Kern 3 erzeugt in der Drosselwicklung 7 eine Spannung, die in Phase ist mit der gemäss Fig. 6 verketteten Transformator-Sekundärspannung.
In den Fig. 1 und 5 ist ferner angedeutet, dass die den Luftspalt 8 bildenden Pole verschiedene Formen haben können, um den bei verschieden grossen Luftspalten im Leerlauf durch den Kern. 3 zirkulierenden Magnetfluss zu beeinflussen.
Ferner kann die Überbrückung derart bemessen sein, dass sie nur bei kleineren Luftspalten denselben vollständig überbrückt, dagegen bei grösseren Öffnungen nur noch ein Bruchteil des Luftspaltes überbrückt wird.
Es mag noch beigefügt werden, dass für äusserste Anforderungen oder sonstige ungewöhnliche Bedingungen sowohl die Sekundärwicklung 5 als auch die Drosselwicklung mit Anzapfungen für verschiedene Spannungen versehen werden könnten.
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