CN104170035B - 变压器和用于制造变压器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器(T)，其具有按照管形绕组布置的高压初级绕组(4)和低压次级绕组以及在其之间同心地布置的屏蔽筒(6)。在此，屏蔽筒(6)包括至少一个与筒侧面近似同心的导电屏蔽层(6.3)，该屏蔽层与变压器(T)的接地点电连接。

Description

变压器和用于制造变压器的方法

技术领域

本发明涉及一种具有按照管形绕组布置的、彼此同心并且与导磁磁芯同心地布置的高压初级绕组和低压次级绕组的变压器以及一种用于制造这样的变压器的方法。

背景技术

变压器的输入端特性能够通过下面称为输入阻抗的复电阻来描述。因为在变压器中电容、电感和欧姆电阻在这种线性网络中结合在一起，因此变压器的输入阻抗通常取决于下面称为工作频率的、施加在高压初级绕组上的正弦形交流电压的频率。

将其中不同的绕组围绕导磁磁芯彼此同心地布置的绕组布置称为管形绕组。

这样的管形绕组可以被构造为分层绕组，其中，导电线的多个连续匝在轴向方向上并排地作为层而被布置。在此，在径向方向上处于上下重叠的多个层形成绕组。

这样的管形绕组还可以被构造为线圈绕组，其中，导电线的多个连续匝在径向方向上上下重叠地作为线圈而被布置。在此，在轴向方向上处于并排的多个线圈形成绕组。

此外，其中至少一个绕组作为线圈绕组实现并且至少另一个绕组作为分层绕组实现的管形绕组布置是可能的。

已知当层数足够大，例如大于大约10时，制造线圈绕组比制造具有相同匝数的分层绕组更昂贵。

从现有技术进一步已知变压器发出电磁干扰辐射。在此，在预定的工作频率下，电磁干扰辐射的功率随着变压器的输入阻抗的减小而增大。

从现有技术进一步已知，在匝数相同时并且在变压比相同时，高于极限频率、例如高于10千赫的输入阻抗，在具有线圈绕组形式的高压初级绕组的变压器中比在以分层绕组实现的高压初级线圈中更高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种改进的具有按照管形绕组布置的高压初级绕组和低压次级绕组的变压器。本发明还要解决的技术问题是，给出一种用于制造这样的变压器的方法。

根据本发明，上述技术问题关于变压器通过在权利要求1中给出的特征来解决并且关于方法通过在权利要求12中给出的特征来解决。

本发明的优选构造是从属权利要求的内容。

根据本发明，在具有按照管形绕组布置的高压初级绕组和低压次级绕组的变压器中，在高压初级绕组和低压次级绕组之间同心地布置屏蔽筒，并且屏蔽筒包括至少一个与筒侧面近似同心的导电屏蔽层，该屏蔽层与变压器的接地点电连接。

除了在高压初级绕组和低压次级绕组之间的电感耦合之外，这两个绕组的同心布置还导致筒状电容器类型的电容的形成。因此，高压初级绕组的输入阻抗基本上受绕组电感、欧姆导线电阻和线圈的电容影响。

通过根据本发明的在高压初级绕组和低压次级绕组之间的与变压器的接地点连接的导电面的布置，在其之间的电场分布发生改变。电场的这种改变使得高压初级绕组的电容减小。

高压初级绕组的输入阻抗的电容部分的份额与变压器的工作频率成反比，同时输入阻抗的电感部分的份额与工作频率成正比例，并且输入阻抗的欧姆部分的份额与工作频率无关。

因此，从高压初级绕组接收的干扰电流在工作频率低的情况下被电感限制，并且在工作频率高的情况下被高压初级绕组的电容限制。

因此，通过减小电容，特别是在高工作频率范围内，例如在工作频率超过10千赫的情况下，输入阻抗的份额增大。于是电容性传输的电功率同时被减小。这引起发出的干扰功率减小。

因此，在优选方式中，可以通过在按照分层绕组布置的变压器中在内部绕组和外部绕组之间布置屏蔽筒，来保持对于发出的干扰功率的上限，在不使用该屏蔽筒的布置的情况下，仅通过应用线圈绕组布置来保持该上限。

因此，通过使用本发明，在生产具有预定的工作特性的变压器时，可以使用成本更低的制造技术。

在本发明的另一实施方式中，高压初级绕组位于径向方向上的外部，并且作为分层绕组实现。

此外，在低压次级绕组在高压初级绕组内部的同心布置中，电感性耦合特别大，因为在此从高压初级绕组产生的漏磁通量的特别大的一部分流过低压次级绕组。

因此，在优选方式中，在径向方向上位于内部的低压次级绕组和位于外部的高压初级绕组之间的屏蔽筒的布置使变压器的制造成本降低，因为这允许针对高压初级绕组使用分层绕组布置。

在本发明的另一实施方式中，低压次级绕组被构造为用于向车辆的电驱动设备供电的牵引次级绕组，其具有比高压初级绕组更少的匝数，并且被同心地布置在屏蔽筒内部。

从馈电线馈送的高压依据轨道供电系统位于几千伏、例如15千伏。用来向驱动设备供电的牵引电压位于从几百伏到大约2千伏的范围内。高压向牵引电压的转换由被称为牵引变压器的变压器进行。轨道系统的操作员预先给定允许牵引变压器发出的最大的与频率有关的干扰功率的极限值。

在优选方式中，在牵引变压器中，高压初级绕组围绕被称为牵引次级绕组的低压次级绕组同心地布置。由此，由高压初级绕组产生的磁通量的特别大的一部分传导通过牵引次级绕组。

通过在牵引次级绕组和高压初级绕组之间同心地布置屏蔽筒，向高压初级绕组的电容性电压传输以所描述的方式减少，并且由此阻止或者减少在高于极限频率、例如高于10千赫的频率的情况下的阻抗值的下降，并且由此使特别是在高频范围内、例如高于10千赫发出的干扰辐射的功率减小。

由此实现的作为分层绕组的高压初级绕组的构造一方面在同时保持关于发出的干扰功率的要求的情况下，相对于更昂贵的线圈绕组提供成本优势。

另一方面，在优选方式中，因为可以放弃用于改变阻抗曲线的其它措施，例如通过改变牵引变压器的尺寸或者几何结构，因此本发明使得能够最佳地利用在车辆中经常受限制的用于牵引变压器的结构空间。

本发明的另一个优点在于，迄今为止破坏了轨道系统操作员关于发出的干扰功率的预给定参数的牵引变压器，通过根据本发明插入屏蔽筒而被改变为实现对预给定参数的遵守。

由此避免了附加适配成本，并且可以减少针对这样的牵引变压器的开发风险和开发时间。

在本发明的另一个实施方式中，屏蔽筒包括在径向方向上位于内部的由电绝缘材料制成的内绝缘筒，和在径向方向上位于外部的由电绝缘材料制成的外绝缘筒，其中，导电屏蔽层同心地布置在内绝缘筒和外绝缘筒之间。

在特别优选的方式中，通过该实施方式，将高压初级绕组、低压次级绕组以及导电屏蔽层分别彼此电隔离。

在本发明的另一个实施方式中，屏蔽层包括至少一个由导电材料制成的环形的围绕筒轴布置的环形带，至少一个由导电材料制成的沿轴向方向延伸的纵向带，以及由导电材料制成的、围绕这些带的整体布置的柔性管状包封，其中，这些带彼此并且与包封电连接。

借助环形带和与其垂直地布置的纵向带的同心布置，下面称为屏蔽网，以法拉第笼(Faradayscher)的方式实现对绕组彼此特别好的电屏蔽，并且由此实现阻抗的电容性部分的特别大的增加。因此使得在高频范围内发出的干扰功率特别有效地减小。

由于该通过电连接的环形带和纵向带已经实现的良好的电屏蔽，也可以使用具有较差的导电特性的材料，用于屏蔽网的全面包封。例如导电纸或者铜纤维种类的柔性材料特别适合于此，因为改造和适配费用特别低。

由导电材料制成的屏蔽网的包封接收进入环形带和纵向带之间的空隙的电场的一部分。因为包封与环形带和纵向带电连接，因此包封中的电流在这样的空隙内部被限制在电位均衡。因此，在优选方式中，也可以使用具有较高电阻率的材料。

在本发明的特别优选的实施方式中，至少一个环形带和/或至少一个纵向带由铜制成。

因为铜具有低电阻率，因此特别适合于从屏蔽网的包封的较大的表面区域导出电流。因此，在优选方式中，可以将环形带之间的距离选择为比在具有较大电阻率的材料的情况下所选择的更大。

使用铜时的另一个优点是其相对来说非常低的磁导率。由此不影响或者仅最小地影响从高压绕组到牵引次级绕组的磁通的扩散。

在本发明的另一优选实施方式中，在内绝缘筒和屏蔽网之间布置至少一个第一层绝缘纸。

在优选方式中，通过铺设绝缘纸，保护内绝缘筒免受铺设环形带时的机械损坏。这附加地降低了屏蔽筒的屏蔽层和牵引次级绕组之间的绝缘电阻太小的风险。

在本发明的另一优选实施方式中，在外绝缘筒和屏蔽网的包封之间布置至少一个第二层绝缘纸。

与第一层绝缘纸的作用类似，第二层绝缘纸使得保护外绝缘筒免受由于由柔性导电材料制成的包封以及位于其下方的环形带和纵向带而产生的机械损坏。

在本发明的特别优选的实施方式中，屏蔽网的包封被构造为导电纸或者铜纤维。

通过使用柔性导电材料使变压器的组装变得特别容易，因为由此一方面能够平衡位于其下方的牵引次级绕组的直径的容许波动。另一方面，使用柔性材料能够通过缠绕具有封闭磁轭的变压器磁芯的腿来制造屏蔽网的封闭的导电包封。

导电纸和铜纤维特别适合用于包封，因为其具有高导电率和低磁导率。此外，使用铜纤维时的特别的优点是其相对于例如对拐点的撕拉和破裂的机械稳定性和鲁棒性。

在本发明的另一优选实施方式中，在屏蔽筒和至少一个绕组之间布置导热装置。

由于绕组线的欧姆电阻在绕组内部产生热。在优选方式中，这些热借助导热装置传输到变压器的壳体。这一方面允许变压器以较高的传输功率工作，另一方面使得能够使用具有较小横截面的绕组线，由此总体上使变压器的效率提高。

在本发明的特别优选的实施方式中，导热装置具有至少一个用于输送变压器油的油路。

在变压器填满变压器油时，绕组完全被变压器油封闭。这使得能够从绕组线向环绕的变压器油进行良好的热输出。这还使得能够向变压器壳体和/或向例如以空气冷却的热交换机形式的冷却装置输出热。

为了将热从内部绕组区域导出，优选设置用于从该内部绕组区域和向该内部绕组区域运输变压器油的装置。油路使得能够改善变压器油在与变压器壳体和/或与冷却装置直接接触的内部绕组区域和储油器之间的循环。通过在绝缘筒和绕组之间布置油路，避免通过绝缘筒的油流动中断。在优选方式中，由此被加热的变压器油可以从被屏蔽筒包围的区域容易地扩散到外部被冷却的区域。

根据本发明，在用于制造变压器的方法中，

-围绕牵引次级绕组布置第一油路，

-围绕第一油路布置内绝缘筒，

-在内绝缘筒上缠绕至少一个第一层绝缘纸，

-围绕至少一个第一层绝缘纸以彼此固定的距离布置环形带，

-将环形带通过至少一个纵向带与屏蔽网导电地彼此连接，

-围绕该屏蔽网缠绕由柔性导电材料制成的包封，

-围绕包封缠绕至少一个第二层绝缘纸，

-围绕至少一个第二层绝缘纸在周围布置外绝缘筒，

-围绕外绝缘筒布置第二油路，

-按照分层绕组布置在第二油路上缠绕高压初级绕组，以及

-将带与变压器的接地点电连接。

这种方法的优点是，按照沿着径向方向从内向外前进的顺序进行具有上面描述的有利特征的变压器的制造。

在有利方式中，由此可以使用从现有技术已知的变压器的制造方法。

这种方法的特别的优点是，按照分层绕组布置来完成高压初级绕组，与其它绕组布置、例如与线圈绕组布置相比，其制造更简单。例如，可以由单个工人来制造按照分层绕组布置的牵引变压器的高压初级绕组，而对于按照线圈绕组布置的制造经常需要两个工人。

附图说明

结合下面对实施例的描述，可以更清楚、更明白地理解上面描述的本发明的特性、特征和优点以及实现这些的方式，结合附图进一步对实施例进行解释。

附图中：

图1示意性地示出了现有技术中的没有屏蔽筒的阻抗的与频率有关的曲线，

图2示意性地示出了通过具有屏蔽筒的管形绕组布置的轴向方向上的截面，

图3示意性地示出了通过具有屏蔽筒的管形绕组布置的径向方向上的截面，

图4示意性地示出了屏蔽层的结构，以及

图5示意性地示出了具有屏蔽筒的阻抗的与频率有关的曲线。

在所有附图中对彼此相对应的部分提供相同的附图标记。

具体实施方式

图1以双对数图示意性地示出了现有技术中的关于沿着频率轴f的频率的沿着阻抗轴Z的牵引变压器的输入阻抗的曲线。

为了保障电轨道设备的操作安全性，电驱动机车必须针对电磁干扰辐射保持规定的极限值，以允许工作。因此，对于牵引变压器存在限制干扰电流的需要。额定阻抗曲线1给出了临界频率范围内、例如100赫兹和150千赫之间的为此的最小必要阻抗。

从现有技术已知，具有分层绕组的牵引变压器在没有屏蔽筒的情况下具有阻抗曲线2.1，其一般在高频范围内、例如在高于10千赫时低于额定阻抗曲线1。

该减小的阻抗是在高频时由阻抗的电容性部分引起的，阻抗的电容性部分众所周知根据份额与频率成反比。由此产生正好处于极限值或者超过频率范围越过允许极限值的干扰辐射。

图2和图3示意性地示出了变压器T的牵引次级绕组3和高压初级绕组4之间的屏蔽筒6的同轴布置的实施例的截面图。两个绕组3、4彼此同心并且也与导磁磁芯5同心地布置。图2示出了通过具有屏蔽筒6的管形绕组布置的轴向方向上的截面，图3示出了径向方向R上的截面。

屏蔽筒6包括在径向方向R上的内绝缘筒6.1和在径向方向R上的外绝缘筒6.2以及布置在绝缘筒6.1、6.2之间的导电屏蔽层6.3。

在本发明的另一种实施方式中，可以在屏蔽筒6和至少一个绕组3、4之间布置冷却装置，例如用于输送变压器油的油路。

导电屏蔽层6.3包括多个与磁芯5、牵引次级绕组3以及内绝缘筒6.1同心地布置的、由导电材料制成的环形带6.3.1。这些环形带6.3.1沿着轴向方向A以近似相等的距离布置，并且与由导电材料制成的至少一个纵向带6.3.2彼此电连接。

围绕该由环形带6.3.1和至少一个纵向带6.3.2构成的网，布置了由柔性导电材料制成的未示出的包封。该包封例如可以被构造为导电纸或者铜纤维。

图4示意性地示出了屏蔽层6.3的其它细节。这里未示出的内绝缘筒6.1包围牵引次级绕组3。内绝缘筒6.1还可以可选地包围油路。围绕该内绝缘筒6.1缠绕了多层绝缘纸。环形带6.3.1布置在径向方向R上的最外层绝缘纸上，并且用胶带6.3.3固定。至少一个沿轴向方向A延伸的纵向带6.3.2布置在环形带6.3.1上，用胶带6.3.3固定，并且与环形带6.3.1电连接。在径向方向R上，在环形带6.3.1和至少一个纵向带6.3.2上布置了由柔性导电材料制成的包封。在轴向方向A上，屏蔽层6.3延伸经过绕组3、4的总长度。

至少一个纵向带6.3.2借助线缆终端6.3.4与变压器T的接地点连接。

总的来说，带6.3.1、6.3.2和由柔性导电材料制成的包封作为近似地表示具有接地点的电位的等势面的法拉第笼起作用。由此在内部牵引次级绕组3和外部高压初级绕组4之间的电场的扩散被阻止或者强烈减小。因此在高压初级绕组和牵引次级绕组之间的电容性耦合下降。这以有利的方式导致干扰电流减小，并且因此优选在由电容性阻抗部分决定的高频范围内产生减小的干扰辐射功率。

图5示意性地示出了在使用屏蔽筒6时的变压器T的阻抗曲线2.2。由于电容减小，在高频情况下、例如高于10千赫的阻抗扰动减小。因此具有屏蔽筒的阻抗曲线2.2在总的特定频率范围内超过了通过额定阻抗曲线1预先给定的值。由此确保了通过具有屏蔽筒6的变压器T保持针对发出的干扰功率的规定的上限。

虽然通过优选实施例进一步详细示出并描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例限制，并且本领域技术人员可以得出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种变压器(T)，其具有按照管形绕组布置的高压初级绕组(4)和低压次级绕组以及在其之间同心地布置的屏蔽筒(6)，其中，

-所述屏蔽筒(6)包括至少一个与筒侧面近似同心的导电屏蔽层(6.3)，以及

-所述屏蔽层(6.3)与变压器(T)的接地点电连接，

其中，所述屏蔽层(6.3)包括

-由导电材料制成的环形地围绕筒轴布置的至少一个环形带(6.3.1)，

-由导电材料制成的沿轴向方向(A)延伸的至少一个纵向带(6.3.2)，以及

-由导电材料制成的、围绕由环形带和纵向带(6.3.1，6.3.2)形成的屏蔽网布置的柔性管状包封，

其彼此电连接。

2.根据权利要求1所述的变压器(T)，其中，所述高压初级绕组(4)在径向方向(R)上位于外部，并且作为分层绕组实现。

3.根据权利要求2所述的变压器(T)，其中，

-所述低压次级绕组被构造为用于向车辆的电驱动设备供电的牵引次级绕组(3)，并且具有比所述高压初级绕组(4)更少的匝数，以及

-所述牵引次级绕组(3)同心地布置在所述屏蔽筒(6)内部。

4.根据上述权利要求中任一项所述的变压器(T)，其中，所述屏蔽筒(6)包括

-在径向方向(R)上位于内部的由电绝缘材料制成的内绝缘筒(6.1)，以及

-在径向方向(R)上位于外部的由电绝缘材料制成的外绝缘筒(6.2)，以及其中，所述导电屏蔽层(6.3)同心地布置在所述内绝缘筒(6.1)和所述外绝缘筒(6.2)之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器(T)，

其特征在于，所述至少一个环形带(6.3.1)和/或所述至少一个纵向带(6.3.2)由铜制成。

6.根据权利要求4所述的变压器(T)，

其特征在于，至少一个布置在所述内绝缘筒(6.1)和所述屏蔽网之间的第一层绝缘纸。

7.根据权利要求4所述的变压器(T)，

其特征在于，至少一个布置在所述外绝缘筒(6.2)和由环形带和纵向带(6.3.1，6.3.2)形成的屏蔽网的包封之间的第二层绝缘纸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器(T)，

其特征在于，由环形带和纵向带(6.3.1，6.3.2)形成的屏蔽网的包封被构造为导电纸或者铜纤维。

9.根据上述权利要求1至3中任一项所述的变压器(T)，

其特征在于，布置在所述屏蔽筒(6)和至少一个绕组(3，4)之间的至少一个导热装置。

10.根据权利要求9所述的变压器(T)，

其特征在于，所述至少一个导热装置具有至少一个用于输送变压器油的油路。

11.一种用于制造变压器(T)的方法，其中，

-围绕牵引次级绕组(3)布置第一油路，

-围绕所述第一油路布置内绝缘筒(6.1)，

-在所述内绝缘筒(6.1)上缠绕至少一个第一层绝缘纸，

-围绕所述至少一个第一层绝缘纸以彼此固定的距离布置环形带(6.3.1)，

-将所述环形带(6.3.1)通过至少一个纵向带(6.3.2)与屏蔽网导电地彼此连接，

-围绕所述屏蔽网缠绕由柔性导电材料制成的包封，

-围绕所述包封缠绕至少一个第二层绝缘纸，

-围绕至少一个第二层绝缘纸在周围布置外绝缘筒(6.2)，

-围绕所述外绝缘筒(6.2)布置第二油路，

-按照分层绕组布置在所述第二油路上缠绕高压初级绕组(4)，以及

-将环形带和纵向带(6.3.1，6.3.2)与变压器(T)的接地点电连接。