CN106663520A - 牵引变压器 - Google Patents

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CN106663520A CN201580048931.1A CN201580048931A CN106663520A CN 106663520 A CN106663520 A CN 106663520A CN 201580048931 A CN201580048931 A CN 201580048931A CN 106663520 A CN106663520 A CN 106663520A
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Abstract

本发明涉及一种用于有轨车辆的牵引变压器(1)，其包括：‑绝缘液体填充的封壳(20)，‑包含在封壳(20)中的至少两个绕组(30,31)，‑变压器芯(40)，‑用于将变压器(10)安装至有轨车辆的安装器件(50)，其中，变压器芯(40)布置在封壳(20)外，并且其中，安装器件(50)附连至变压器芯(40)。

Description

牵引变压器
技术领域
本发明涉及用于电气轨道车辆的牵引变压器的领域。其涉及如在权利要求1和2的前序部分中所说明的牵引变压器。
背景技术
在电气轨道推进车辆诸如机车或有轨汽车(rail coach)中，牵引变压器是牵引链中的关键部件。如果牵引变压器失效，火车便不动并且轨道区段被阻塞。牵引变压器是在有轨车辆上的主变压器并且将能量从悬索提供至推进马达以及用于所有车载系统。当适合用于复式交流异步马达(multiple AC asynchronous motor)和直流转换器(DC converter)以及带有变化的谐波缓和(harmonics mitigation)过滤要求的马达时，牵引变压器不得不适应不同的输入频率和电压(范围从高达50Hz下至16.7Hz并且高达25kV)。为了提供高功率转化，牵引变压器需设计成有很大的尺寸和重量。牵引变压器设计成承受所有产生的轨道推进车辆的加速力、冲击和机械振动。
牵引变压器通常被置于牵引车辆的主罩壳之外，即在底板下或在车顶上，在此由于最大允许的车辆高度或在底板下与轨道之间可利用的空间而空间受限制。牵引变压器也可被置于主罩壳之内并且存在类似的空间限制。此外，由于变压器的相当大的重量，如果需要车顶或在底板下的安装必须要注意。
第一牵引变压器构造有空气绝缘或干燥绝缘，引起频繁的失效如在运行期间的放电和跳火(flashover)。这些失效由变压器所暴露于的湿度或尘土引起。
现今，本领域传统的用于电气轨道推进车辆的牵引变压器是绝缘和冷却油浸变压器的类型以满足需要。当需要高功率密度时，与空气相比油是一种非常好的传热介质以及良好的电绝缘材料。油浸变压器的芯和绕组完全被包封在填充有变压器油的油箱(tank)中。该油箱因此在其外侧上具有合适的器件用于将其安装至推进车辆。这样的用于安装的器件是梁、板等等，其被焊接至牵引变压器的油箱(壳体)并且必须承受油箱、变压器和变压器油的全部重量。因此，油箱须具有相当大的壁厚并且须由如钢那样的较重重量的材料制成以提供机械稳定性。
文件GB874730公开了一种用于轨道推进车辆的油浸变压器装置，其包括置于变压器箱中的主变压器。为推进输送所需要的电压水平的变压器安装在变压器箱中。变压器箱填充有油。该箱被安装在轨道车辆的底板之下。
文件WO2014086948 A2公开了用于牵引应用的变压器，该变压器带有浸入到填充油的封壳中的绕组。闭环芯延伸穿过中心内柱体元件的内部，该中心内柱体元件形成封壳的部分并且因此不与油相接触。
本发明的目的是提供一种紧凑的牵引变压器设计，其在维持所需要的功率密度的同时允许减小的尺寸和重量。
发明内容
该目的通过根据权利要求1和2所述的牵引变压器来实现。
本发明的另外的实施例在从属的子权利要求中指出。
根据第一方面，提供一种用于有轨车辆的牵引变压器，其包括：
-绝缘液体填充的封壳，
-包含在封壳中的至少两个绕组，
-变压器芯，
-用于将变压器安装至有轨车辆的安装器件，
其中，变压器芯布置在封壳外，并且
其中，安装器件附连至变压器芯。
上述牵引变压器的一构思是绕组容纳在封壳中并且变压器芯可穿过封壳而不与绝缘液体接触并且于是允许将安装器件直接附连至变压器芯用于将变压器安装至有轨车辆。换言之，安装器件和变压器芯直接相连接并且直接物理接触。作用在有轨车辆上的力经由安装器件被直接传递至变压器芯。另一方面，作用在变压器上的力经由安装器件被直接从变压器芯传递至有轨车辆。变压器允许减少填充在封壳中的绝缘液体的量并且简化了封壳的机械结构。因此，上述牵引变压器件具有减小的尺寸和重量。
此外，牵引变压器的封壳被通过至少两个支撑元件附连至变压器芯。
可设置成，安装器件仅被固定至牵引变压器的变压器芯(40)。以该方式，变压器的其他部分、尤其变压器的封壳不被用于安装器件的固定。由此，更少量的材料和更多轻质材料可被用于所有不有助于安装器件的固定的部件。这样减少了牵引变压器的总重量。
此外，封壳可由至少一个柱状内壳体和由部分地包围该至少一个柱状内壳体的柱状外壳体来形成，其中，封壳在该至少一个柱状内壳体与柱状外壳体之间所包封的体积填充有绝缘液体，并且其中，变压器芯的部分延伸穿过该至少一个柱状内壳体。绕组包封内柱状壳体并且由内柱状壳体的外侧表面来支承。
可设置成，第一盖和第二盖布置在封壳的轴向端部处。封壳被夹在该至少两个支撑元件之间，支撑元件在轴向端部处压到第一和第二盖上。
第一盖和第二盖被液密地密封至封壳的轴向端部。两个盖具有至少一个开口，其与该至少一个柱状内壳体的直径相匹配。以该方式，形成包含绝缘液体的空心柱体。典型地，管脚(limb)作为变压器芯的一部分延伸穿过空心柱体的通路。液密的密封可通过胶合联结、垫圈或通过焊接来形成。
此外，该牵引变压器是芯式的，其意味着两个轭和两个管脚形成了芯回路。至少一个绕组附连至管脚中的每个。轭在封壳的两个轴向端部处在外侧延伸，安装器件被固定至轭。
因为封壳的主功能是用作用于绝缘液体的箱并且不用作安装器件的固定，该封壳可由轻质材料制成。优选的封壳材料可以是玻璃纤维、基于环氧树脂的复合物或铝的类型。
可设置成，安装器件是安装框架，其具有平行延伸的侧杆(sidebar)。侧杆被固定至轭并且平行于轭方向行进。
此外，可包括加强元件(stiffening elements)以吸收沿着轭方向且于是沿着轨道车辆的移动方向的力。加强元件被附连至框架的侧杆且至延伸穿过柱状内壳体的变压器的部分。
可设置成，至少两个支撑元件适应于第一盖和第二盖的形状。那些成形的支撑元件防止杂散磁场(magnetic stray field)在绕组和芯管脚的轴向上逃逸。减少了引起涡电流和其他损失的杂散场对轨道车辆的邻近的铁磁部件和对轨道的寄生效应。
可设置成，封壳具有垂直于绕组的轴向的8字形横截面。该横截面有利地改善了柱状外壳体和于是整个封壳的机械稳定性并且同时减少了所包封的体积和于是所需的绝缘液体的量。
附图说明
结合附图将更详细地来说明实施例，其中：
图1示出了带有附连在车辆罩壳的底板下面的牵引变压器的有轨车辆；
图2a示出了用于水平安装的牵引变压器的透视图；
图2b示出了牵引变压器的侧视图；
图2c示出了牵引变压器的另一侧视图；
图2d示出了根据本发明的牵引变压器的截面图；
图3示出了用于竖直安装的牵引变压器的透视图。
具体实施方式
现在将详细地参照实施例，其中的一个或多个示例在图中示出。每个示例通过解释来提供而不意图作为本发明的限制。在图的接下来的说明内，相同的附图标记涉及相同的部件。通常，仅说明了关于各个实施例的区别。
图1示意性示出了装备有牵引变压器10的有轨车辆1，该牵引变压器附连在车辆罩壳的底板之下。在其他构造中，变压器可被附连在车辆的车顶上或可被附连在车辆罩壳内的机器室中。
接下来结合根据图2a到2d的视图来说明牵引变压器的第一实施例。牵引变压器10包括填充有绝缘液体205的封壳20。绝缘液体典型地包括矿物油、硅油、合成油或植物油并且用于绕组的电绝缘和用于绕组的冷却。
封壳20由两个柱状内壳体201、202和由包围这两个柱状内壳体201、202的柱状外壳体203来形成。柱状内壳体201、202中的每个具有环形的横截面并且具有大致平行于外壳体203的柱体轴线的柱体轴线，其是如在图2d中所示出的轴向Y。轴向Y也是绕组30、31的轴向。柱状内壳体200、201也可成形有不同的横截面(横跨其轴向Y)。
封壳20的两个轴向的端部中的每个相应被第一和第二盖206、207封闭。第一和第二盖206,207、这两个柱状内壳体201,202和柱状外壳体203形成封闭的体积，其填充有绝缘液体205、尤其变压器油。容纳在封壳中的绕组30、31被完全浸入变压器油中。因此，第一和第二盖206、207被液密地密封至柱状外壳体203且至这两个柱状内壳体201、202。该密封可通过胶合联结来产生。备选地，该密封可通过垫圈或通过一种焊接来产生。
图2d是沿着根据第一实施例的牵引变压器10的A-A线截取的图2b的截面图并且示出了在第一和第二盖207、208中的两个圆形开口208、209，开口208、209相应匹配于柱状内壳体201的内直径。设置有另外两个开口并且其匹配于柱状内壳体202的内直径。
变压器芯40的两个管脚403、404延伸穿过这两个柱状内壳体201、201并且于是穿过这两个绕组30、31。管脚403、404在封壳20的轴向端部处由这两个变压器轭401、402来桥接。以该方式，芯式变压器实现有单独浸入变压器油中的绕组30、31。变压器芯40在封壳外并且由此不与变压器油接触并且可被空气冷却。
绕组30、31围绕相应的柱状内壳体201、202卷绕。绕组30、31的导体可以导线状(诸如金属导线例如铜导线的线圈)或板状(覆有电绝缘层)并且螺旋状地围绕柱状内壳体201、202卷绕。绕组30可用作牵引变压器10的一次绕组而绕组31可用作牵引变压器10的二次绕组或者反之亦然。
为了避免短路，这两个柱状内壳体201、202不得用作寄生二次线圈的匝。因此，内壳体201、202两者都由电绝缘材料(例如基于环氧树脂的复合物)制成。
为了将牵引变压器10水平地安装至有轨车辆1，由X-Y方向张开的平面大致平行于有轨车辆1的车顶或底板。
如从图2a到2d中可见，变压器芯40被固定至安装器件50，其体现为安装框架。该框架允许将变压器10安装到火车的车顶上或底板下并且具有两个平行的侧杆501、502，其通过两个横杆焊接在一起。侧杆501、502沿着火车且沿着火车的移动方向(其指示为X方向)对齐。通过将变压器芯40直接固定至框架且于是至有轨车辆，除了变压器的绕组之外最重的部分被用于固定并且有利地可将来自火车车辆的加速力或振动直接传递至变压器芯。这样简化了牵引变压器10的机械构造并且尤其简化了其封壳20的构造。
牵引变压器10仅通过靠在框架的侧杆501、502上的变压器芯40被固定至框架。尤其变压器轭401、402和变压器管脚403、404的端部(其伸出超过封壳20的轴向端部)靠在侧杆501、502之上。在其他实施例中可配置成框架靠在变压器芯40之上。
在变压器芯40与侧杆501、502之间的固定由螺旋接头形成。为了提供在芯部40与框架之间的高刚度和稳定性，变压器芯40是梯级搭接(stack-lap)式，在其中管脚403、403的一个或若干层与轭401、402的一个或若干层相叠，如在图2d中所示。8个通孔设置在变压器芯40中，其中的四个在变压器芯40的四个角处在管脚403、404和轭401、402的重叠区域中形成。当变压器芯40通过螺栓被安装至框架时，那么管脚也与轭401、402旋拧到一起。轭401、402平行于侧杆501、502且于是沿着X方向定向。
框架通过四个弯曲的边腿被安装至有轨车辆1，这些边腿被焊接至侧杆501、502的端部。
如从图2a到2d可见，封壳20通过四个支撑元件60、61、62、63被固定至变压器芯40，这些支撑元件成角度并且它们中的两个60、62在封壳20的轴向端部处布置在变压器芯40的顶部上而其中另两个成角度的支撑元件61、63在封壳20的轴向端部处布置在变压器芯40的底侧处。
成角度的支撑元件60、61、62、63中的每个通过其两个边腿中的一个被直接旋拧至变压器芯40，而封壳20被夹在另外的边腿之间。另外的边腿在轴向端部处压到第一和第二盖206、207上。在变压器芯40的顶部上的支撑元件60和在变压器芯40的底侧上的支撑元件61具有调整螺栓以设置用于夹持封壳20的接触力。调整螺栓被固定在支撑元件60、61的压向第一盖206或第二盖207的边腿上。
牵引变压器10的轭401、402中的每个被与框架的相应的侧杆501,502、与在变压器芯的顶部上的相应的支撑元件60,61,62,63和与在变压器10的底侧上的相应的支撑元件旋拧在一起。螺旋接头垂直于绕组的轴向Y布置。
支撑元件60、61、62、63可部分地或完全适配于第一盖206或第二盖207(未示出)的形状以便防止在绕组的轴向Y上磁通量的逃逸。以该方式，成形的支撑元件60、61、62、63用作遮蔽并且防止不期望的杂散磁场分散至周围环境、尤其至有轨车辆或轨道。
牵引变压器10可设置有加强元件70、71、72、73以吸收沿着有轨车辆1的运动方向的加速力。加强元件70、71、72、73附连至侧杆501、502的顶部且沿着X方向。该固定可通过如在图2b中对于刚性元件70所示的螺旋接头来形成或者可如其在图2b中对于刚性元件71示例性所示被焊接至侧杆501、502。加强元件70、71、72、73定位在变压器芯40的延伸超过壳体20的轴向端部的部分(其是轭401、402)前面和后面。
附加的加强元件也可被附连至支撑元件60、61、62、63以吸收加速力并且被焊接至该处。这些附加的加强元件也定位在轭401、402前面和后面，可被旋拧至变压器芯40并且防止变压器芯40沿着X方向的不期望的运动。
图3显示了用于竖直安装至有轨车辆的牵引变压器11的另一实施例，适合于例如被安装在车辆的机器室中。
变压器芯40被固定至安装器件50，其也体现为安装框架。与根据图2a到2d的实施例不同，变压器11和安装器件50被旋转了90°到竖立的位置中。换言之，由X-Y方向张开的平面相对于有轨车辆的底板大致垂直地定向并且因此绕组的轴线竖直地定向。侧杆501、502被与两个H-杆焊接在一起，H-杆在侧杆501、502之间横向延伸并且形成框架。
柱状外壳体203具有8字形的横截面，其向封壳20提供了比普通的柱状成形的壳体更高的机械稳定性。因此，代替钢可使用更轻质的材料像铝作为用于柱状外壳体203的材料。柱状外壳体203可由铝制成，其与钢相比还示出良好的导热性并且改善了从牵引变压器11到其周围环境的热散逸。如果在柱状外壳体203上的热散逸对于牵引变压器11的设计不重要，也可设置成使用电绝缘的轻质材料例如像环氧树脂复合物。
牵引变压器11具有两个边腿，其被焊接至在封壳20的相同的轴向端部处的侧杆501、502的端部以在竖直位置中将变压器安装至有轨车辆1。
附图标记清单
1 有轨车辆
10,11 牵引变压器
20 封壳
30,31 绕组
40 变压器芯
50 安装器件
60,61,62,63 支撑元件
70,71,72,73 加强元件
201,202 柱状内壳体
203 柱状外壳体
205 绝缘液体
206,207 第一和第二盖
208,209 在第一和第二盖中的开口
401,402 变压器轭
403,404 变压器管脚
501,502 侧杆
600 调整螺栓
X 轭的轴向、侧杆的方向
Y 绕组和柱状内壳体的轴向。

Claims (16)

1.一种用于有轨车辆的牵引变压器(10)，其包括：
-绝缘液体填充的封壳(20)，其带有布置在所述封壳(20)的轴向端部处的第一和第二盖(206,207)，
-包含在所述封壳(20)中的至少两个绕组(30,31)，
-布置在所述封壳(20)之外的变压器芯(40)，
-用于将所述变压器(10)安装至所述有轨车辆的安装器件(50)，
其中，所述安装器件(50)附连至所述变压器芯(40)，并且其中，所述封壳(20)夹在至少两个支撑元件(60,61,62,63)之间，所述支撑元件在轴向端部处压到所述第一和第二盖(206,207)上。
2.一种用于有轨车辆的牵引变压器(10)，其包括：
-绝缘液体填充的封壳(20)，其带有布置在所述封壳(20)的轴向端部处的第一和第二盖(206,207)，
-包含在所述封壳(20)中的至少两个绕组(30,31)，
-布置在所述封壳(20)之外的变压器芯(40)，
-用于将所述变压器(10)安装至所述有轨车辆的安装器件(50)，
其中，所述安装器件(50)附连至所述变压器芯(40)，其中，所述封壳(20)由两个柱状内壳体(201,202)和由部分地包围这两个柱状内壳体(201,202)的柱状外壳体(203)形成，其中，所述封壳(20)在这两个柱状内壳体(200,201)和所述柱状外壳体(203)之间的所包封的体积填充有所述绝缘液体(205)，并且其中，所述变压器芯(40)的部分延伸穿过这两个柱状内壳体(200,201)。
3.根据权利要求1或2所述的牵引变压器(10)，其中，所述封壳(20)由所述至少两个支撑元件(60,61,62,63)附连至所述变压器芯(40)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，所述安装器件(50)仅被固定至所述牵引变压器(1)的变压器芯(40)。
5.根据权利要求1所述的牵引变压器(10)，其中，所述封壳(20)由两个柱状内壳体(201,202)和由部分地包围这两个柱状内壳体(201,202)的柱状外壳体(203)形成，其中，所述封壳(20)在这两个柱状内壳体(200,201)和所述柱状外壳体(203)之间的所包封的体积填充有所述绝缘液体(205)，并且其中，所述变压器芯(40)的部分延伸穿过这两个柱状内壳体(200,201)。
6.根据权利要求2所述的牵引变压器(10)，其中，第一和第二盖(206,207)布置在所述封壳(20)的轴向端部处，并且其中，所述封壳(20)夹在所述至少两个支撑元件(60,61,62,63)之间，所述支撑元件在轴向端部处压到所述第一和第二盖(206,207)上。
7.根据权利要求1或6所述的牵引变压器(10)，其中，所述第一盖(206)和所述第二盖(207)被液密地密封至所述封壳(20)的轴向端部，并且其中，所述第一盖(206)和所述第二盖(207)各具有与该至少一个柱状内壳体(200,201)的直径相匹配的至少一个开口(208,209)，并且其中，所述变压器芯(40)的部分部分地延伸穿过所述至少一个开口(208,209)。
8.根据权利要求7所述的牵引变压器(10)，其中，液密的密封通过胶合联结和/或通过垫圈和/或通过焊接来确保。
9.根据上述权利要求中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，所述牵引变压器(10)是芯式的并且所述安装器件(50)被固定至所述变压器芯(40)的轭(401,402)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，所述封壳(20)包括轻质材料，尤其玻璃纤维、基于环氧树脂的复合物或铝。
11.根据权利要求7所述的牵引变压器(10)，其中，所述安装器件(50)是带有平行的侧杆(501,502)的框架，并且其中，所述侧杆(501,502)被固定至所述轭(401,402)且沿着轭方向(X)行进。
12.根据权利要求11所述的牵引变压器(10)，其中，所述牵引变压器(1)包括加强元件(70,…78)以吸收沿着轭方向(A)的力，其中，所述加强元件附连至所述框架的侧杆(501,502)且附连至部分地延伸穿过该至少一个柱状内壳体(200,201)的所述变压器芯(40)的部分。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，所述至少两个支撑元件(60,…,63)适应于所述第一盖(206)和所述第二盖(207)的形状防止在所述绕组(30,31)的轴向(Y)上的杂散磁场。
14.根据上述权利要求中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，所述封壳(20)具有8字形的横截面，并且其中，所述横截面垂直于所述绕组(30,31)的轴向(Y)。
15.根据权利要求9到14中任一项所述的牵引变压器(10)，其中，梯级搭接式的所述变压器芯(40)、所述安装器件(50)和所述至少两个支撑元件(60,…,63)垂直于所述绕组(30,31)的轴向(Y)旋拧在一起。
16.根据权利要求15所述的牵引变压器(10)，其中，设置有至少四个支撑元件(60,…,63)，其中，在所述封壳(20)的每个轴向端部处所述至少四个支撑元件(60,…,63)中的两个旋拧在一起，并且其中，所述轭(401,402)中的一个和所述侧杆(501,502)中的一个布置在这两个支撑元件(60,61;62,63)之间。
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