Polygonaler Transformatorkern

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern für einen Leistungstransformator, wobei sich der Transformatorkern in Form einer geschlossenen Torus-ähnlichen Struktur um eine Mittelachse erstreckt und aus einer Vielzahl aneinandergrenzender Lagen Blech gebildet ist.

Es ist allgemein bekannt, Transformatoren bei der Verteilung elektrischer Energie zu nutzen, indem Wechselspannung von einem hohen Niveau zu einem niederen Spannungsniveau oder umgekehrt transformiert oder umgespannt wird. Energieverteilungsnetze sind üblicherweise 3-phasig aufgebaut, d.h. es liegen an drei zueinander gehörenden Einzelleitern jeweils um 120° Phasenwinkel verschobene Spannungen an, deren phasenrichtige mathematische Summation im symmetrischen Zustand des Energieverteilungsnetzes stets den Wert null ergibt. Leitungsbereiche derartiger Leistungstransformatoren reichen von einigen kVA bis hin zu mehreren 100 MVA, die Betriebsspannungen liegen üblicherweise zwischen 6kV und 38OkV.

Ein 3-phasiger Leistungstransformator weist üblicherweise für jede Phase wenigstens je eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf, so dass sich in der Summe wenigstens 6 Einzelwicklungen ergeben. Es sind 3-phasige Leistungstransformatoren bekannt, bei welchen alle Wicklungen um einen gemeinsamen Transformatorkern mit mehreren Schenkeln angeordnet sind, wobei ein Schenkel dann beispielsweise je eine Primär- und eine Sekundärwicklung einer Phase durchgreift.

Es sind auch 3-phasige Leistungstransformatoren bekannt, welche durch geeignete elektrische Verschaltung aus drei 1 -phasigen Transformatoren gebildet werden, bei

welchen die Primär- und Sekundärwicklung je einer Phase jeweils von einem separaten ringförmigen Transformatorkern durchgriffen werden.

Bei einer derartigen 1 -phasigen Wicklungsanordnung mit ringförmigem Kern erweist es sich aus Gründen der Kompaktheit der Anordnung als vorteilhaft, die 1 -phasige Primär- und/oder Sekundärwicklung ebenfalls in Form von mehreren separaten Wicklungselementen anzuordnen, beispielsweise entlang einer kreisähnlichen Bahn, wobei alle Wicklungssegmente von dem ringförmigen Kern durchgriffen werden, wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 557 549 B1 beschrieben.

Nachteilig an einem derartigen ringförmigen Transformatorkern ist insbesondere, dass dieser zur Aufnahme von Wicklungen aus einem Flachbandleiter nur bedingt verwendbar ist. Ein ringförmiger Transformatorkern weist in etwa die Form eines Toms auf, d.h. ein Abschnitt eines torus-förmigen Transformatorkernes, welcher ein Wicklungssegment durchgreift, weist nicht die Form eines geraden Zylinders sondern näherungsweise die Form eines gebogenen Zylinders auf, der mit seiner Mittelachse einem Kreissegment folgt.

Wicklungen aus einem Flachbandleiter sind dadurch gekennzeichnet, dass der Flachbandleiter spiralförmig um eine Wickelachse gewickelt ist, wobei sich die Breite des Flachbandleiters über die gesamte Breite der Wicklung erstreckt. Konstruktionsbedingt ist es nicht möglich, eine Wicklung aus einem Flachbandleiter zu fertigen, deren radial innerer Bereich die zuvor beschriebene Form eines gebogenen Zylinders aufweist, welcher mit seiner Mittelachse einem gebogenen Kreissegment folgt. Wicklungen aus einem Flachbandmaterial weisen vielmehr eine zylinderförmige radiale Innenfläche um eine gerade Wickelachse auf.

Insbesondere aus Gründen eines erhöhten Wirkungsgrades eines Leistungstransformators ist es aber vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen einer radialen inneren Grenzfläche einer Transformatorwicklung und der radialen Außenfläche eines diese Transformatorwicklung durchgreifenden Transformatorkernabschnittes möglichst gering ist.

Dies ist bei der beschriebenen Anordnung, bei der ein gebogener Abschnitt eines torus-förmigen Transformatorkerns einen zylinderförmigen radialen Innenbereich einer Wicklung aus einem Flachbandleiter durchgreift, nicht der Fall - es entstehen aufgrund der Ungleichheit der beschriebenen Formen stets erhöhte Abstände zwischen Wicklung und Transformatorkern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Torus-ähnlichen Transformatorkern für einen Leistungstransformator der eingangs genannten Art anzugeben, welcher bei Anordnung mehrerer Wicklungen mit zylinderförmigen radial innerer Grenzfläche um diesen Transformatorkern einen reduzierten Abstand zwischen radialen Außenflächen des jeweiligen Transformatorkernabschnittes und der jeweiligen radialen Innenfläche der betreffenden Wicklung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Transformatorkern mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Demgemäß ist der erfindungsgemäße Transformatorkern dadurch gekennzeichnet, dass die um die Mittelachse verlaufende Torus-ähnliche Struktur einen polygonalen Grundriss mit drei beziehungsweise fünf oder mehr Ecken sowie jeweils eine entsprechende Anzahl an Transformatorschenkeln aufweist.

Ein Transformatorkern mit polygonalem Grundriss weist mehrere an sich gerade Transformatorschenkel auf, wobei zwischen jeweils zwei Transformatorschenkeln eine Knickstelle vorgesehen ist. Alle Transformatorschenkel bilden mittels der jeweiligen Knickstelle eine geschlossene Ringstruktur. Eine Knickstelle ist auch in Form einer Biegung ausführbar.

Die geraden Transformatorschenkel ermöglichen in vorteilhafter Weise einen minimalen Abstand zwischen deren radialer Außenfläche und der radialen zylinderförmigen inneren Grenzfläche der jeweiligen Wicklung, welche vom jeweiligen Transformatorschenkel durchgriffen wird.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkerns ist der Kernquerschnitt zumindest abschnittsweise an eine Ellipse oder einen Kreis angenähert. Die Fertigung einer um diesen Querschnitt anzuordnenden Wicklung wird dadurch vereinfacht.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns basiert dessen polygonaler Grundriss auf einem regelmäßigen Polygon mit 3, 5, 6, 7, 8, 9 10, 11 oder 12 Ecken.

Die Verwendung eines regelmäßigen polygonalen Grundrisses führt zu einer gleichen Länge aller Transformatorschenkel und zu einer Winkelgleichheit an allen Knickstellen des Kernes. Hierdurch ist es in vorteilhafter weise möglich, baugleiche Wicklungen oder Wicklungssegmente um den Transformatorkern anzuordnen beziehungsweise von diesem durchgreifen zu lassen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns weist dieser zumindest ein Blech auf, welches sich wenigstens einmal entlang der gesamten Torus-ähnlichen Struktur in einem Winkel von wenigstens 360° um die Mittelachse erstreckt.

Demgemäß ist vorgesehen, den polygonalen Transformatorkern unter Verwendung nur eines einzigen Blechstreifens zu fertigen, welcher - ähnlich einer Flachbandwicklung - in mehreren Lagen aber in polygonaler Form um die Mittelachse des zu fertigenden Transformatorkerns gewickelt ist. Zum Erreichen eines rundlichen Querschnittes des Transformatorkernes ist es sowohl im Gedanken der Erfindung, die Breite eines solchen Blechstreifens entlang seiner Länge entsprechend zu variieren.

Alternativ kann in erfindungsgemäßer Weiterbildung auch vorgesehen sein, zunächst mehrere polygonale Kernteile mit mehreren um eine Mittelachse verlaufenden Lagen Transformatorblech mit jeweils unterschiedlicher Breite der Kernteile zu fertigen, welche jeweils aufeinander abgestimmtem Innen- beziehungsweise Außendurchmesser aufweisen. In einem weiteren Schritt sind diese dann ineinander verschachtelbar und zu einem gemeinsamen Transformatorkern verbindbar.

Wicklungen sind um einen solchen nicht-teilbaren Transformatorkern entweder dadurch angeordnet, dass sie bereits bei der Herstellung des Kerns berücksichtigt werden, dass also der Transformatorkern auch innerhalb der bereits zumindest provisorisch angeordneten zylinderförmigen Innenbereiche der Wicklungen oder Wicklungssegmente gefertigt wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung von Wicklungen beziehungsweise Wicklungsmodulen um einen derart gefertigten Transformatorkern besteht darin, dass die Wicklung oder die Wicklungssegmente um den jeweiligen Kernabschnitt eines geschlossenen Transformatorkernes gefertigt beziehungsweise gewickelt werden.

Somit ist wenigstens eine Blechlage im Transformatorkern vorhanden, welche lediglich ein einziges Blech aufweist. Insbesondere bei einer Anordnung der Transformatorbleche parallel zur Mittelachse des Transformatorkerns ist die Anzahl der Bleche und damit der Fertigungsaufwand des Transformatorkernes in vorteilhafter Weise reduzierbar.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns ist dieser aus wenigstens zwei verbindbaren Kernabschnitten zusammengefügt.

Ein Kernabschnitt ist vorzugsweise durch geeigneten Aufbau unter Verwendung von separaten Blechen herzustellen oder aber auch durch Teilung eines größeren Kernabschnittes oder eines kompletten Kernes.

Die spätere Anordnung von Wicklungen um den Transformatorkern wird bei getrennten Kernabschnitten deutlich vereinfacht. Nach Anordnung der jeweiligen Wicklungen um die jeweiligen Kernabschnitte sind diese im Herstellungsprozess eines Transformators zusammenzufügen.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns weist ein Kernabschnitt bei einem gradzahligen polygonalen Grundriss genau zwei Transformatorschenkel auf.

Auf diese Weise ist um jeden der beiden Transformatorschenkel in einfacher Weise je eine Wicklung beziehungsweise ein Wicklungssegment anordenbar.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkernes erfolgt die Verbindung der Kernabschnitte auch mittels Verzahnung einzelner Blechlagen und/oder Blechlagenbereiche.

Der magnetische Fluss ist an den Verbindungsstellen zwischen den jeweiligen Kernabschnitten besser führbar und der Wirkungsgrad des Transformators damit steigerbar.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkernes nimmt jeder Transformatorschenkel wenigstens ein radial um eine jeweilige Wickelachse gewickeltes Wicklungssegment auf, dessen radial innerer Bereich von dem jeweiligen Transformatorschenkel durchgriffen ist, wobei die Breite eins jeweiligen Wicklungssegmentes der jeweiligen räumlichen Ausdehnung entlang seiner Wickelachse entspricht.

Die Wicklungssegmente sind durch geeignete elektrische Verschaltung, beispielsweise Reihen- und/oder Parallelschaltung, zu einer elektrischen Funktionseinheit verbindbar, welche in einer derartigen Anordnung beispielsweise die Funktionalität eines 1-Phasen Transformators aufweist.

Durch die Verwendung mehrerer baugleicher Wicklungssegmente ist der Aufwand für die Herstellung eines derartigen Transformators vorteilhaft reduzierbar.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkerns verjüngt sich die Breite eines jeweiligen Wicklungssegmentes zumindest abschnittsweise in Richtung zur Mittelachse des Transformatorkernes.

Somit ist der Innenbereich des Transformatorkernes, also der Bereich zwischen Mittelachse und dem kernmaterial, in vorteilhafter weise in einem hohen Maße mit den angeordneten Wicklungssegmenten nutzbar. Die Größe des Transformators ist dadurch in vorteilhafter weise reduzierbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil,

Fig. 2 ein Beispiel für einen oktagonalen Transformatorkern,

Fig. 3 ein Beispiel für einen Kernquerschnitt sowie

Fig. 4 ein Beispiel für einen Transformator mit hexagonalem Transformatorkern.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil 10 in perspektivischer Ansicht. Ein bandförmiger Wicklungsleiter 17 ist in Dreiecksform um eine erste gedachte Mittelachse 14 angeordnet. Der bandförmige Wicklungsleiter 17 ist durch sein erstes Blechende 16 in der radial äußersten Blechlage und sein zweites Blechende 18 in der radial innersten Blechlage charakterisiert. Die drei Schenkel des Transformatorkernes verlaufen gradlinig zwischen den jeweiligen Knickstellen.

Der in Fig. 1 dargestellte Transformatorkernteil weist zunächst nicht die erfindungsgemäße runde Querschnittsform auf. Diese ließe sich beispielsweise dadurch approximieren, dass jeweils zur gedachten ersten Mittelachse 14 radial innen und radial außen angrenzende weitere dreieckige Transformatorkernteile mit geringerer Länge längs der ersten gedachten Mittelachse 14 als der dreieckige Transformatorkernteil 10 mit diesem verbunden werden. Auf diese Weise wäre ein

runder Querschnitt des Transformatorkernes durch 3 rechteckförmige aneinandergrenzende Teilquerschnitte approximiert.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Schnitt durch einen beispielhaften oktagonalen Transformatorkern 20. Dieser verläuft in Torus-ähnlicher Form um eine zweite gedachte Mittelachse 35. Der oktagonale Transformatorkern 20 weist weiterhin einen ersten Kernabschnitt 31 , einen zweiten Kernabschnitt 32, einen dritten Kernabschnitt 33 und einen vierten Kernabschnitt 34 auf, welche in einem betreffenden ersten Verbindungsbereich 21 , einem zweiten Verbindungsbereich 22, einem dritten Verbindungsbereich 23 und einem vierten Verbindungsbereich 24 miteinander verbunden sind.

Der vierte Verbindungsbereich 24 ist detaillierter mit einem ersten überlappungsbereich 25 und einem zweiten überlappungsbereich 26 dargestellt. Bei einer Verzahnung von Transformatorblechen zur Herstellung einer Verbindung ist es beispielsweise sinnvoll, ein Transformatorblech des vierten Kernabschnittes 34 in einer Blechlage in den eigentlichen Bereich des dritten Kernabschnittes 33 der selben Blechlage hineinragen zu lassen, was in der dargestellten Fig. dem ersten überlappungsbereich 25 entspricht. Das entsprechende Blech des dritten Kernabschnittes 33 ist um denselben ersten überlappungsbereich 25 verkürzt.

Entsprechend ragt in einer weiteren Blechlage ein Blech des dritten Kernabschnittes 33 in den Bereich des vierten Kernabschnittes 34, wobei dies dem zweiten überlappungsbereich 26 entspricht. Es sind durchaus auch weitere Ausführungsformen einer entsprechenden Verzahnung jeweils an den Verbindungsstellen 21 , 22, 23, 24 denkbar.

Zu einer hinreichenden Verzahnung der jeweiligen Kernabschnitte 31 , 32, 33, 34 ist es im gezeigten Beispiel sinnvoll, eine derartige Verzahnung blechlagen- oder blechlagenpaketweise wechselseitig längs der Höhe der aneinandergrenzenden Bleche an allen Verbindungsstellen 21 , 22, 23, 24 durchzuführen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für einen näherungsweise kreisförmigen Kernquerschnitt 40 eines erfindungsgemäßen Transformatorkerns. Dieser weist einen ersten 41 , zweiten

42, dritten 43, vierten 44, fünften 45, sechsten 46, siebten 47 und achten 48 Blechlagenbereich auf. Jeder Blechlagenbereich 41 - 48 weist seinerseits mehrere geschichtete Bleche auf, im Fall des achten Blechlagenbereiches 48 die Bleche 48-1 - 48-5. Die Bleche eines Blechlagenbereiches sind näherungsweise gleich breit, so dass sich für einen Blechlagenbereich jeweils ein näherungsweise rechteckiger Querschnitt ergibt. Durch geeignete Wahl der Breite der jeweiligen Blechlagenbereiche 41 - 48 ergibt sich - wie in der Fig. ersichtlich - ein näherungsweise kreisförmiger Kernquerschnitt 40. Ein Kernquerschnitt wird im Rahmen dieser Erfindung dann als annähernd kreisförmig - beziehungsweise elliptisch angesehen, wenn dieser aus den Einzelquerschnitten wenigstens dreier jeweils rechteckförmiger Blechlagenbereichen gebildet wird, wobei benachbarte Blechlagenbereiche eine jeweils unterschiedliche Breite aufweisen.

Fig. 4 zeigt ein die Draufsicht auf einen Schnitt durch einen beispielhaften Transformator 100 mit hexagonalem Transformatorkern 102 und sechs Wicklungssegmenten. Der hexagonale Transformatorkern erstreckt sich um eine gedachte dritte Mittelachse 104. Er weist je sechs gerade Transformatorschenkel und je sechs Knickstellen auf. Die Knickstellen sind in der Darstellung scharfkantig gezeigt, es ist aber durchaus im Gedanken der Erfindung, wenn diese in Form eines Bogens ausgeführt sind. Die Bleche, welche der Transformatorkern 102 aufweist, sind je nach Bauweise des Transformatorkernes 102 entweder in jeweiligen Ebenen quer zur dritten gedachten Mittelachse 104 angeordnet oder aber in einer weiteren Ausführungsform parallel zur dritten gedachten Mittelachse 104.

Jeder gerade Schenkel des hexagonalen Transformatorkerns nimmt in der dargestellten Fig. je ein Wicklungssegment auf. Jedes Wicklungssegment weist je eine Primärwicklung 111 , 112, 113, 114, 115 bzw. 116 und je eine Sekundärwicklung 121 , 122, 123, 124, 125 bzw. 126 auf. Diese Wicklungen sind in geeigneter Weise elektrisch miteinander zu verschalten, um die Funktionsfähigkeit des Transformators 100 zu gewährleisten, beispielsweise alle Primärwicklungen in Reihenschaltung, um die Spannungsbeanspruchung für jedes Wicklungssegment zu reduzieren. Analog sind die Sekundärwicklungen vorzugsweise in Parallelschaltung zu verschalten, um die Strombeanspruchung für jedes Wicklungssegment zu reduzieren.

Die Primär- 111- 116 und Sekundärwicklungen 121 - 126 eines jeweiligen Wicklungssegmentes sind jeweils um dieselbe Wickelachse angeordnet, wobei im dargestellten Beispiel die Sekundärwicklung jeweils radial außen und die Primärwicklungen jeweils radial innen zur jeweiligen Wickelachse angeordnet sind. Die jeweiligen Wickelachsen der Wicklungssegmente verlaufen längs des jeweiligen Transformatorschenkels, von dem sie durchgriffen werden.

In der Fig. ist außerdem ein trapezähnlicher Querschnitt der jeweiligen Sekundärwicklung 121 - 126 ersichtlich. Dieser dient insbesondere dazu, den inneren Bereich des hexagonalen Transformatorkerns 102, also den Bereich zwischen gedachter dritter Mittelachse 104 und der Erstreckung des Kernmaterials des Transformatorkernes 102, besser ausfüllen zu können. Eine derartige Wicklung mit trapezförmigem Querschnitt ist entweder unter Verwendung eines Rundleiters oder aber auch unter Verwendung eines verformten Flachbandleiters herstellbar.

Das erste Wicklungssegment weist an der Grenzfläche Primär - zu Sekundärwicklung eine erste Breite 121 auf und weiter radial außen eine geringere zweite Breite 130.

Bezuqszeichenliste

Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil Erste gedachte Mittelachse Erstes Blechende Bandförmiges Blech Zweites Blechende Beispiel für einen oktagonalen Transformatorkern Erster Verbindungsbereich Zweiter Verbindungsbereich Dritter Verbindungsbereich Vierter Verbindungsbereich Erster überlappungsbereich des vierten Verbindungsbereiches Zweiter überlappungsbereich des vierten Verbindungsbereiches Erster Kernabschnitt Zweiter Kernabschnitt Dritter Kernabschnitt Vierter Kernabschnitt Zweite gedachte Mittelachse Kernquerschnitt Erster Blechlagenbereich Zweiter Blechlagenbereich Dritter Blechlagenbereich Vierter Blechlagenbereich Fünfter Blechlagenbereich Sechster Blechlagenbereich Siebter Blechlagenbereich Achter Blechlagenbereich -1 Erstes Blech -2 Zweites Blech -3 Drittes Blech -4 Viertes Blech -5 Fünftes Blech

100 Beispiel für einen Transformator mit hexagonalem Transformatorkern

102 Hexagonaler Transformatorkern

104 Dritte gedachte Mittelachse

111 Primärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

112 Primärwicklung des zweiten Wicklungssegmentes

113 . Primärwicklung des dritten Wicklungssegmentes

114 Primärwicklung des vierten Wicklungssegmentes

115 Primärwicklung des fünften Wicklungssegmentes

116 Primärwicklung des sechsten Wicklungssegmentes

121 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

122 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

123 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

124 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

125 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes

126 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes 130 Erste Breite des ersten Wicklungssegmentes

132 Zweite Breite des ersten Wicklungssegmentes