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Scheibenspulenwicklung für Transformatoren und Drosselspulen
Die Erfindung bezieht sich auf aus Scheibenspulen aufgebaute Wicklungen für Transformatoren oder Drosselspulen. Um bei solchen Wicklungen die Stossspannungsverteilung zu verbessern, ist es bekannt, eine Steuerung am Wicklungseingang in der Weise vorzunehmen, dass man zusätzliche Abschirmungen vorsieht. Des weiteren ist schon vorgeschlagen worden, gegebenenfalls in Kombination mit zusätzlichen Abschirmungen besondere Massnahmen an der Wicklung zu treffen. Solche Massnahmen bestehen in einer Verschachtelung der Windungen oder der Spulen durch besondere Schaltung. Dabei wird eine gewisse Verschachtelungsregel von Anfang bis Ende der gesamten Wicklung eingehalten.
Bei einer bekanntgewordenen Doppelspulenschaltung besteht die Verschachtelungsregel darin, räumlich in einer bestimmten Reihenfolge hintereinander folgende Spulen galvanisch in einer andern Reihenfolge zusammenzuschalten, so dass mehrere gleichartige Spulengruppen entstehen, die zur Gesamtwicklung hintereinandergeschaltet werden. Bekannt sind auch viele Anordnungen, bei denen nicht die Spulen, sondern die Windungen durchgehend verschachtelt sind.
Solche"durchgehende Windungsverschachtelungen"wie sie etwa bei den sogenannten"interleaved windings"bekanntgeworden sind, erhöhen noch besser die Serienkapazität der gesamten Wicklung als die erstgenannten Spulenverschachtelungen, u. zw. in allen Wicklungsabschnitten gleichartig, so dass insgesamt die Stossspannungsbeanspruchung zwischen den Spulen verringert wird.
Mehrere Vorschläge gehen beispielsweise dahin, sämtliche Scheibenspulen aus je zwei ineinandergewickelten Windungen herzustellen und diese miteinander so in Serie zu schalten, dass zwei Spulengän-
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spulenschaltung, zwei Spulen gegensinnig verbunden ergeben eine Doppelspulenschaltung. Solche mehrgängige Spulen sind nun in vielen Variationen zusammengeschaltet bekanntgeworden, wobei der Wikkelsinn der einzelnen Spulen oder die Reihenfolge nach verschiedenen Regeln variiert wird, u. zw. immer so, dass eine solche Verschachtelungsregel für bestimmte Spulengruppen periodisch von Anfang bis Ende angewendet wird.
Eine andere durch die österr. Patentschrift Nr. 191007 bekannte Verschachtelungsmöglichkeit besteht darin, zumindest die Randspulen aus zwei oder mehreren parallelen Zweigen auszuführen, die innerhalb der Wicklungsscheiben miteinander durch Überkreuzungen bei den Übergängen vermascht sind.
All diese bekannten Wicklungen haben die zwei Nachteile, dass jede Verschachtelung eine oder mehrere Lötstellen erfordert, so dass die gesamte Wicklung von Anfang bis Ende Lötstellen aufweist.
Diese erfordern einen grossen Fertigungsaufwand, sie stellen aber auch schwache Stellen dar, da einmal eine Lötstelle schlechter isoliert werden kann, zum andern durch die Verschachtelung eine erhöhte Spannung zwischen Nachbarwindungen auftritt, die ein mehrfaches der Windungsspannung beträgt. Statistisch ist die Möglichkeit für einen Fehler deshalb sehr hoch, da diese hochbeanspruchten Schwach-
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stellen immer wieder die ganze Wicklung hindurch auftreten.
Es ist fernerhin bekannt, nur am Eingang besondere Massnahmen zur Stossspannungsverbesserung vor- zunehmen und die nachfolgende Wicklung ganz normal zu schalten. Das einfachste Beispiel ist ein vor die Wicklung gesetzte, an den Eingang angeschlossener Schirmring. Dieser erhöht die kapazitive An- kopplung der einziehenden Stosswellen an die dem Schirmring benachbarten Windungen der nachfolgen- den Spule. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zusätzliche Schirme oder Schirmwindungen am
Eingang anzuordnen, welche ebenfalls die Koppelkapazität nachfolgender Windungen zum Eingang hin erhöhen. Zählt man etwa solche Windungen zu den im Eingangsgebiet liegenden Spulen, so wären die- se Spulen anders aufgebaut als die späteren normal aufgebauten bzw. geschalteten Spulen und als "Vor- spulen" zu bezeichnen.
Es ist auch schon durch die franz. Patentschrift Nr. 1. 306. 392 eine Wicklungsanordnung bekannt- geworden, bei der einer normalen Scheibenspulenwicklung in Einzel- oder Doppelspulenschaltung ein- gangsseitig mehrere Spulen vorgeschaltet sind, von denen jeweils eine auf Eingangspotential liegt und diese Spulen so zusammengeschaltet sind, dass zwischen je zwei einander benachbarten Vorspulen längs ihrer radialen Erstreckung stets die gleiche Spannungsdifferenz auftritt, die Spannungsdifferenzen zwi- schen verschiedenen Vorspulenpaaren jedoch mindestens teilweise unterschiedlich sind. Diese Anord- nung hat den Nachteil, dass zur Erreichung dieser Vorspulenschaltungen Verbindungsleitungen ausserhalb der Wicklungen verlegt werden müssen, die äusserst störend sind.
Sie müssen besonders isoliert werden, erschweren die Kühlung, den gesamten Wicklungs- und Isolationsaufbau und die Herstellung. Es ist auch denkbar, dass man die eingangsseitigen Vorspulen in Einzelspulenschaltung ausführt, um für diese, an denen der höchste Anteil der Stossspannung abfällt, noch ausreichend niedrige Stossbeanspruchungen zu erreichen, die später folgenden"Hauptspulen"dagegen als Doppelspulen, d. h. normal schaltet.
Solche Vorspulen bewirken zwar, dass die Stossspannungsbeanspruchung der Vorspule selbst niedriger ist als die der nachfolgenden Hauptspulen, sie bewirken aber nicht, dass diese Hauptspulen selbst eine wirkungsvolle Reduzierung der Stossspannungsbeanspruchung erfahren.
Hier soll nun die Erfindung Abhilfe schaffen, sie geht davon aus, dass die Schwachstellen auf weni- ge "Vorspulen" beschränkt bleiben und verfolgt einen ganz andern Gedankengang. Es soll nicht die Serienkapazität der Gesamtwicklung durchgehend erhöht werden, sondern es soll nur durch eine besondere Massnahme dafür gesorgt werden, dass die in die Vorspulen einziehende Stosswelle hinter den Vorspulen abgeflacht auf die darauffolgende Hauptwicklung weitergegeben wird. Die besondere Massnahme soll erfindungsgemäss nur auf wenige den Normal-, d. h. unverschachtelt geschalteten Hauptspulen der Wick- lung vorgeschalteten Vorspulen beschränkt sein, so dass nur in den Vorspulen Lötstellen und Sonderschaltungen mit Schwachstellen bzw. erhöhte Stossbeanspruchungen zwischen benachbarten Windungen auftreten.
Die Abflachung der Stosswelle wird nun dadurch erreicht, dass der Stossstrom an zwei räumlich verschiedenen Stellen in die Vorspulen eindringt, wobei er einmal als kapazitiver Stossstrom über den mit dem Eingang verbundenen Schirmring auf den stirnseitigen äusseren Vorspulenabschnitt geleitet wird und anderseits durch galvanische Verbindung mit dem am Eingangspotential liegenden Schirmring an eine Vorspule geleitet wird, die im Innern des Vorspulenabschnittes liegt. Beide eindringenden Stossströme haben eine hohe Steilheit des Spannungsanstieges.
Sie weisen aber einen zeitlichen Gangunterschied auf, der einen Ausgleich der zwei einlaufenden Stossströme bewirkt, so dass die von der letzten an die Hauptwicklung angeschlossenen Vorspulen an die Hauptspulen weitergegebene Spannung eine wesentlich verringerte Steilheit des Spannungsanstieges aufweist, wie durch viele Messungen bestätigt wird. Diese abgeflachte Stosswelle dringt in die Hauptspulenwicklung ein, die in normaler Einzel- oder Doppelspu- lenschaltung geschaltet ist und erzeugt wesentlich geringere Stossspannungsdifferenzen zwischen benachbarten Spulen als ohne die erfindungsgemässen Massnahmen, so dass die Spulenisolation der Hauptspule ganz erheblich verringert werden kann bzw. die Stehstossspannung der Gesamtwicklung beträchtlich erhöht ist.
Besonders wirksam ist es dabei, wenn die Mehrzahl der gegenüberliegenden Windungen zweier Vorspulen in gleicher Richtung vom Strom durchflossen sind, da dann die gegenseitige kapazitive Kopplung zwischen diesen Vorspulwindungen besonders wirksam und gleichmässig ist.
Die Erfindungsmassnahmen gestatten nicht nur auf Verbindungsleitungen ausserhalb der Wicklung, sondern auch auf jede Windungsverschachtelung, welche zusätzliche Lötstellen erfordert, zu verzichten, so dass alle Vorspulen eingängig aufgebaut werden können. Die Schwachstellen treten nur an wenigen Stellen auf und können durch besondere verstärkte Isolierung ausreichend sicher ausgeführt werden.
Die Vorspulen nach der Erfindung sollen nun einerseits wie eine vor die Hauptspule geschaltete Vordrossel wirken, so dass eine sehr steile in die Vorspule einziehende Stossspannung am Ende der Vorspu-
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len, d. h. am Anfang der Hauptspulen wesentlich abgeflacht ist, anderseits sollen sie dadurch als zusätzliche, die Serienkapazität im Anfangsbereich erhöhende Koppelkapazität wirken, da die einziehende
Stossspannung infolge der Schaltung der Vorspule schnell in das Innere des Vorspulenabschnittes eindringt und von dort kapazitiv unmittelbar koppelnd und den Stossstrom erhöhend auf durch galvanische Verbindungen viel später vom induktiven Stossstrom durchflossene Windungen trifft.
Diese Wirkungen werden erreicht, wenn man die Vorspulen so ausführt, dass der von Windung zu angeschlossener Nachbarwindung fliessende induktive Stossstrom zuerst nahezu alle Windungen einer nicht stirnseitig, d. h. dem Schirmring benachbarten, sondern eine im Innern des Vorspulenabschnittes liegenden Vorspule durchlaufen hat, bevor die stirnseitige Vorspule mit allen Windungen von diesem Strom durchlaufen ist.
Dies wird bei einer Scheibenspulenwicklung für Transformatoren und Drosselspulen mit stirnseitig angeordnetem Schirmring und im Vergleich zu den normal geschalteten Hauptspulen nur wenigen eingängig gewickelten Vorspulen, die mit der Ausleitung und dem Schirmring über Ganz- oder Teilwin- dungen der dem Schirmring folgenden Vorspule verbunden sind, wobei das Ende dieser Ganz-oder Teilwindungen mit einer im Inneren des Vorspulabschnittes liegenden Vorspule verbunden ist, dadurch erreicht, dass erfindungsgemäss beginnend von der Ausleitungsseite alle Windungen der Vorspulenteile, die nicht verschiedene Vorspulen verbindende Ganz- oder Teilwindungen darstellen, radial hintereinander in gleicher Reihenfolge angeordnet sind, wobei die Verbindung aller dieser zu verschiedenen Vorspulen gehörenden Vorspulenteile durch diese Vorspulenteile überkreuzende,
im Kanal zwischen axial benach- barten Vorspulen geführte Verbindungsleiter erfolgt und dass die Ganz- oder Teilwindungen, die die letzte Vorspule mit der ersten Hauptspule verbinden, ebenfalls auf der Ausleitungsseite angeordnet sind.
Ein allgemeines Erfindungsbeispiel, bei dem speziell die Vorspulen eingängig und mit gleichem Wickelsinn, d. h. besonders wirkungsvoll ausgeführt sind, zeigt Fig. l, wobei nur die inneren Hälften der ersten beiden Windungsscheiben Vorspulen im Sinne der Erfindung sind.
Der galvanische Anschluss an den Eingang --30--, mit dem auch der Schirmring --26-- verbunden ist, erfolgt über l Ganzwindungen der der Wicklungsstirn räumlich folgenden d. --26-- benachbarten
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diese zweite Vorspule mit den m Windungen l + l bis 1 + m durchlaufen. Diese m Windungen koppeln kapazitiv in Pfeilrichtung auf die erste Spule der nachfolgenden Hauptspulen --28--, während zu dieser Spule der induktive Anschluss erst nach Durchlaufen von 2 I + 2 m Windungen erfolgt.
Durch die zwei Spulenverbindungen der l + m'ten mit der l + m + l'ten und der 1+2 m'ten mit der 1 + 2 m + l'ten Windung ist erreicht, dass beide Vorspulen in ihren Hauptabschnitten mit m Win- dungen in gleicher Richtung (gestrichelter Pfeil) vom Stossstrom durchflossen sind, so dass diese m axial benachbarten Windungen beider Vorspulen stets die gleiche Spannungsdifferenz von m Windungen haben. Diese zwei m Windungen können wegen der gleichen axialen Spannungsbeanspruchung gleich stark isoliert werden.
Das bewirkt eine gleich gute kapazitive Kopplung längs der radialen Ausdehnung von m Windungen zwischen beiden Vorspulen, die in das Gesamtverhalten wirkungsvoll eingeht, besonders wenn m l gewählt wird. Verstärkt isolieren wird man die übrigen Windungen entsprechend den höheren Stossbeanspruchungen. Die Isolation kann natürlich auch durch die Umbandelungen-33, 34- erreicht werden, was weniger radial aufträgt.
Ist m 1 so ist erfindungsgemäss erreicht, dass nahezu alle Windungen der im Inneren liegenden zweiten Vorspule vor der Mehrzahl der m Windungen der äusseren ersten Vorspule vom Stossstrom durchlaufen sind.
In Fig. 2 und den folgenden sind gleiche Bezugszeichen gewählt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für 0 < 1 1. d. h., erfindungsgemäss erfolgt der galvanische Anschluss an den Anfang --30-- über die Ganz- oder Teil windung --1-- der der Wicklungsstirn räumlich folgenden ersten Vorspule und das Ende dieser Windung-l-ist mit der im Inneren des Vorspulenabschnittes --27-- liegenden zweiten Vorspu- le verbunden.
Man erkennt, dass ausserhalb der Spule liegende Verbindungsleitungen wegfallen und dass ferner eine erhöhte kapazitive Kopplung dadurch besteht, dass die Windung-l-eng mit der Windung-9-und die Windung --2-- eng mit der Windung --16-- kapazitiv gekoppelt ist.
Man kann, um die bei dieser engen Kopplung auftretenden erhöhten Windungsbeanspruchungen zu
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--2Ansicht in Pfeilrichtung --29-, wobei besonders deutlich die Führung der Übergangsstellen zum Aus- druck kommt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel mit drei Vorspulen --27--. Hier erfolgt der galvanische Anschluss an den Eingang --30- über die Ganz-oder Teilwindung-l und 2-. Das Ende der Windung-2-ist mit der im Inneren des Vorspulenabschnittes -27-liegenden dritten Vorspule verbunden, wobei zwischen dieser dritten Spule und der räumlich nach innen folgenden ersten normal geschalteten Hauptspule, die mit Windung --25-- beginnt, die besonders wirksame kapazitive Kopplung erfolgt. Zwischen den axial benachbarten Windungen dieser Spule liegt bis auf --24 bis 25-konstant die über 23 Windungen abfal-
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6),halb des Vorspulenabschnittes --27-.
Nur diese kritischen Stellen müssen daher verstärkt gegeneinander isoliert werden. Die übrigen
Windungsisolationen können sehr schwach gewählt sein. Entsprechend Fig. 6 wird man die gewählte
Anordnung bzw. die erforderlichen Windungszahlen der Stossspannung der gewählten Isolation an- passen. Die weiteren Verbindungen zwischen verschiedenen Vorspulen werden in Fig. 3 erreicht durch die
Ganzwindungen --23 und 24--. In beiden Beispielen Fig. 2 und 3 sind die Vorspulen jeweils in glei- chem Wickelsinn vom Strom durchflossen (gleiche Pfeilrichtung).
Sieht man Fig. 2 seitlich in Pfeilrichtung --29-- an und führt die Anordnung mit zwei parallelen
Drähten aus, so ergibt sich das Bild Fig. 5. Die einzelnen Windungen werden mit Ziffern --1 bis 16-- benannt, die parallel dazu verlaufenden Drähte mit --1'bis 16'-. So gibt Fig. 5 gleichzeitig ein Bei- spiel dafür, dass man z. B. die zwei parallelen Drähte-l, l'-in die Drähte --2, 2'- usw. nicht an der gleichen Umfangsstelle durch Verbindung ineinander überführt, sondern die Umfangsstelle um eine Teilungsbreite-t-verschiebt. Damit wird das radiale Loch an der Verbindungsstelle nur so breit wie eine Leiterbreite. --t-ist dabei der Mittenabstand zwischen den Distanzklötzen --32--, die den Kühl- kanal zwischen den einzelnen Spulen fixieren.
Die beiden genannten Beispiele Fig. 2 und 3 sind nur wenige herausgegriffene Möglichkeiten, wobei
Fig. 4 bzw. 5 Seitenansichten von Fig. 2 mit einem bzw. zwei parallelen Drähten pro Windung darstel- len. Hier sind die Vorspulen gleichsinnig vom Strom durchflossen.
Durch die Anwendung der Erfindungsgedanken erreicht man eine sehr wirksame Verringerung der
Stossspannungsbeanspruchung, einen verringerten Isolationsaufwand bei Verwendung einer üblichen nor- mal geschalteten lötstellenfreien Hauptspulenwicklung, der nur wenige die genannten Verbesserungen bewirkenden Vorspulen vorgeschaltet sind.