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Die Erfindung betrifft eine Wicklung für einen Transformator oder eine Spule mit
einem bandförmigen elektrischen Leiter und mit einer Isoliermaterialschicht aus
bandförmigen Isolationsmaterial, die gemeinsam zu Windungen um einen Wicklungskern
gewickelt sind, wobei die einzelnen Windungen der Wicklung einen vorgegebenen
Wicklungswinkel gegenüber der Wicklungsachse des Wicklungskerns aufweisen
und zueinander mit teilweiser Überlappung angeordnet sind, und wobei zwischen
zwei radial benachbarten Lagen von Windungen eine Isolierschicht zwischengefügt
ist.
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Bei derartigen, allgemein bekannten Wicklungen werden die Windungen
üblicherweise in axialer Richtung dicht nebeneinander liegend gewickelt und wenigstens eine
Lage von Windungen gebildet.
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Häufig werden aber auch mehrere Lagen radial aneinander gefügt und bilden einen
mehrlagigen Transformator oder eine mehrlagige Spule. Im Falle von mehreren
Lagen von Windungen ist häufig zwischen zwei benachbarten Lagen jeweils eine
Isolierschicht ein- beziehungsweise zwischengefügt. Diese Isolierschicht verhindert
Spannungsüberschläge zwischen den Lagen und ist demgemäß auf die größte
vorkommende Spannungsdifferenz zwischen zwei Lagen ausgelegt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Wicklung für einen Transformator oder eine Spule anzugeben, bei der Isolationsmaterial
eingespart werden kann und bei der zugleich eine ausreichende Spannungsfestigkeit
erreicht wird, insbesondere eine gute Stoßspannungsfestigkeit zwischen zwei radial
benachbarten Lagen von Windungen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wicklung für einen
Transformator oder eine Spule mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen.
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Demgemäß ist der erfindungsgemäße Gegenstand dadurch gekennzeichnet, daß
die örtliche Spannungsdifferenzen beziehungsweise ein
Spannungsdifferenzenverlauf zwischen den zwei betreffenden radial benachbarten Lagen in Richtung der
Wicklungsachse ermittelt ist und daß die Dicke der Isolierschicht örtlich jeweils an die
dort ermittelte Spannungsdifferenz angepaßt ist. Die Isolierschicht ist also nicht
gemäß dem bisher bekannten Stand der Technik mit einer gleichgroßen Schichtdicke
ausgestaltet, sondern die Dicke ist auf die Spannungsdifferenz zwischen den
betreffenden radial benachbarten Reihen angepaßt. Dementsprechend kann an den
axialen Stellen, an denen die Spannungsdifferenz vergleichsweise gering ist,
Isolationsmaterial eingespart werden. Zudem wird hiermit erreicht, daß der Transformator bzw.
die Spule insgesamt eine vergleichsweise bessere Stoßspannungsfestigkeit
zwischen den Lagen aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands besteht darin, daß bei
der Anordnung zweier radial benachbarter Isolierschichten die rechnerische
Gesamtdicke dieser zwei Isolierschichten an jeder axialen Stelle in etwa die gleiche
Dicke aufweist. Mit dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise erreicht, daß die
durch die unterschiedlichen Isolierschichtdicken resultierenden verschiedenen
Außendurchmesser einer Lage durch das erfindungsgemäße Profil einer weiteren
Isolierschicht zwischen der Lage und einer nächst folgenden Lage wieder ausgeglichen
ist und derart ein insgesamt einheitlicher Außendurchmesser des Transformators
bzw. der Spule erreicht ist.
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Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes sieht vor, daß
die Dickenänderung der Isolierschicht in axialer Richtung kontinuierlich ausgestaltet
ist. Auf diese Weise entsteht in etwa ein keilförmiges Profil der Isolierschicht, für den
Fall, daß das Schnittbild durch die Wicklungsachse betrachtet wird. Es ist aber ohne
weiteres denkbar, daß ein im Schnittbild sägezahnförmiges oder wolliges Profil
vorgesehen ist, beispielsweise dann, wenn zwei Spulen direkt nebeneinander
angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Dickenänderung der Isolierschicht in
axialer Richtung stufenförmig ausgestaltet ist. Das heißt in axialer Richtung
betrachtet, ändert sich die Dicke der Isolierschicht sprunghaft in Stufen, also
diskontinuierlich, ohne das dies für die Spannungsfestigkeit nachteilig ist. Zudem kann die
Produktion der Isolierschicht bei dieser Ausgestaltung wesentlich einfacher erfolgen und
das üblicherweise bandförmige Isoliermaterial Lage für Lage zu der Isolierschicht
gewickelt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die
Erfindung, eine vorteilhafte Ausgestaltung und Verbesserungen der Erfindung, sowie
besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Transformatorwicklung mit drei Lagen und
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Fig. 2 zwei sich gegenüberliegende Isolierschichten.
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In Fig. 1 ist eine dreilagige Wicklung eines Transformators teilweise dargestellt. Die
Wicklung ist um einen Wicklungskern 10 mit einer Wicklungsachse 12 gewickelt. Die
Wicklung ist aus einem bandförmigen, elektrischen Leiter 14, der mit einem
bandförmigen Isolationsmaterial 16 beschichtet ist, geformt. Alternativ hierzu kann das
bandförmige Isolationsmaterial 16 auch aus einer bandförmigen Folie bestehen.
Zudem ist es unerheblich, ob der elektrische Leiter 14 mit dem Isolationsmaterial
beschichtet ist, oder ob das Isolationsmaterial als eigenes Band zusammen mit dem
elektrischen Leiter 14 zu der Wicklung geformt wird.
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Als erste Lage 18 von Windungen soll diejenige Lage bezeichnet sein, die direkt um
den Wicklungskern 10 gewickelt ist. Das bandförmige Isolationsmaterial 16 ist dabei
derart angeordnet, daß es zwischen dem Wicklungskern 10 und dem Leiter 14 liegt.
Die einzelnen Windungen der ersten Lage 18 sind um einen bestimmten Winkel 20
gegenüber der Wicklungsachse 12 geneigt. Außerdem ist jede Windung um einen
bestimmten Betrag parallel zur Richtung der Wicklungsachse 12 gegenüber der
vorherigen Wicklung versetzt angeordnet, derart daß eine nächst folgende Wicklung
eine teilweise Überlappung mit der vorherigen Windung aufweist. Eine zweite Lage
22 von Windungen ist radial um die erste Lage 18 gewickelt. Der Wicklungsaufbau
der zweiten Lage 22 entspricht im wesentlichen dem Wicklungsaufbau der ersten
Lage 18, so daß auch hier der elektrische Leiter 14 und das Isolationsmaterial 16 in
Form einer Anordnung Windung an Windung nebeneinander mit teilweiser
Überlappung ausgestaltet sind. Die axiale Orientierung der Überlappungen der ersten Lage
18 bzw. der zweiten Lage 22 ist so gewählt, daß sie an der gleichen axialen Stelle
der Wicklungsachse 12 zu liegen kommen. Die Art der Überlappung in der zweiten
Lage 22 ist so gewählt, daß ein Wicklungswinkel 24 der zweiten Lage 22 dem Betrag
des bestimmten Winkels 20 entspricht, jedoch mit einer negativen
Winkelorientierung. Das heißt mathematisch gesehen entspricht der Wicklungswinkel 24 einem
Winkel von 180° abzüglich des bestimmten Winkels 20, sofern die Wicklungsachse
12 als Nullwinkel angesehen wird.
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Zwischen der zweiten Lage 22 und der ersten Lage 18 ist eine erste Isolationsschicht
26 angeordnet, die in dieser Ansicht in etwa ein keilförmiges Schnittbild hat. Dabei ist
die erste Ecke des Keils die den spitzen Winkel aufweist, an einem ersten Ende der
Wicklungsachse 12 und die der ersten Ecke entgegengesetzt liegende breite Seite
des Keils ist an einem zweiten Ende der Wicklungsachse 12 angeordnet. Durch das
Zwischenfügen der ersten Isolierschicht 26 sind die beiden Lagen 18, 22 nicht exakt
parallel zueinander, sondern bilden einen spitzen Winkel miteinander, der sich aus
der Gestaltung der ersten Isolierschicht 26 ergibt. Die der zweiten Lage 22
zugewandte Seite der Isolierschicht 26 weist mehrere Stufen 28 auf. Die Breite einer
derartigen Stufe entspricht in diesem Beispiel jeweils der dreifachen Breite des
elektrischen Leiters 14. Der Vorteil einer derartig ausgestalteten ersten Isolierschicht 26
liegt darin, daß deren Herstellung in besonders einfacher Weise erfolgen kann.
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Das Isoliermaterial zur Herstellung der ersten Isolierschicht 26 liegt üblicherweise
ebenfalls bandförmig vor. Die Breite des zu verwendenden Isoliermaterials ist in
allgemein bekannter Weise aus dessen Dicke, dem zu füllenden Querschnitt und der
Windungszahl ermittelbar. In diesem Beispiel soll dann mit der Wicklung der ersten
Isolierschicht 26 an dem ersten Ende der Wicklungsachse 12 und die erste Lage 18
begonnen werden. Das bandförmige Isoliermaterial kann jetzt in üblicher Weise zum
Beispiel in der für die Windungen beschriebene Weise, zwischen dem ersten und
dem zweiten Ende der ersten Lage 18 um diese gewickelt werden, bis die
gewünschte Isolierschichtdicke einer ersten Stufe der Stufen 28 erreicht ist. Sodann
wird der Bereich der ersten Stufe nicht weiter umwickelt, sondern die Umwicklung mit
bandförmigem Isoliermaterial lediglich im verbleibenden axialen Bereich der ersten
Lage 18 gewickelt, bis die gewünschte Isolierschichtdicke einer zweiten Stufe der
Stufen 28 erreicht ist. Derart kann Stufe um Stufe eine höhere Schichtdicke erzielt
werden, bis die letzte und damit dickste Stufe erreicht ist.
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Alternativ hierzu kann ein Isolationsmaterial einer bestimmten Breite mit einem
vorgebbaren Vorschub kontinuierlich gewickelt werden. Es ist dabei nicht unbedingt
notwendig, daß bei der ersten, das heißt dünnsten Stufe bereits eine geschlossene
Schicht entsteht, d. h. der Vorschub kann größer sein als die Breite des zu
wickelnden Materials, wenn die eingebrachte Windungsisolation bereits auch für die
Isolation zwischen zwei Lagen ausreicht. Die Windungsisolation ist insbesondere die
bandförmigen Isolationsmaterialschicht, welche auf den elektrischen Leiter
aufgebracht oder als Bandmaterial oder als Folie auf den Leiter aufgelegt ist. Wird der
Vorschub halbiert, ergibt sich eine Isolierschicht mit doppelter Dicke. Auf diese Weise
kann ebenfalls eine stufenförmige Isolation erreicht werden, ohne daß der
Isoliervorgang zwischenzeitlich unterbrochen werden muß.
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In der Fig. 1 ist noch eine dritte Lage 30 gezeigt. Diese ist vergleichbar mit der ersten
Lage 18 aufgebaut und schließt sich in radialer Richtung gesehen an die zweite Lage
22 an. Zwischen der dritten Lage 30 und der zweiten Lage 22 ist eine zweite
Isolierschicht 32 angeordnet. Diese ist im wesentlichen wie die erste Isolierschicht 26ausgestaltet. Jedoch weist die Ecke mit dem spitzen Winkel der keilförmigen zweiten
Isolierschicht 32 zum anderen Ende der Wicklungsachse 12 als die erste Ecke der
ersten Isolierschicht 26. Die Lage und die Ausgestaltung der ersten Isolierschicht 26
sowie der zweiten Isolierschicht 32 sind so gewählt, daß die radial äußere Seite der
dritten Lage 30 genau parallel zur Wicklungsachse 12 zu liegen kommt. Das Prinzip
einer Anordnung einer ersten Isolierschicht 26 sowie einer zweiten Isolierschicht 32
soll in der Fig. 2 näher erläutert werden.
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Der hier gezeigte Wicklungsaufbau muß nicht zwangsläufig um einen Wicklungskern
gewickelt sein. So ist ohne weiteres vorstellbar, daß die Wicklung um einen Dorn
erfolgt, der nach der Herstellung der Wicklung entfernt wird. Ein derartiger,
erfindungsgemäß vorgesehener Wicklungsaufbau wird besonders erfolgreich eingesetzt ab
einer Transformator bzw. Spulenleistung von ca. 5 kVA. Typische Werte für das
bandförmige Leitermaterial 16 können beispielsweise Breiten von 20 mm bei einer Stärke
von 0,1 mm oder Breiten von 150 mm mit einer Dicke von 1 mm sein.
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Die Fig. 2 zeigt einen ersten Isolierkeil 40 dem ein zweiter Isolierkeil 42 gegenüber
liegt und die prinzipiell als erste 26 bzw. zweite Isolierschicht 32 eingesetzt werden
könnten. In dieser Figur sollen jedoch nur der prinzipielle Aufbau und die Wirkung der
Anordnung zweier Isolierkeile 40, 42 dargestellt werden. Insofern sind die Maße bzw.
die Größenverhältnisse in dieser Figur nicht maßstäblich und auch nicht der
Darstellung zu Fig. 1 vergleichbar.
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Der zweite Isolierkeil 42 weist eine Basisseite 44 auf. An einem ersten Ende der
Basisseite 44 soll eine erste Stufe 46 angeordnet sein, die eine erste Dicke 48 sowie
eine Stufenlänge 50 aufweist. Der ersten Stufe 46 schließt sich eine zweite Stufe 52
an, die um die erste Dicke 48 gegenüber der ersten Stufe 46 versetzt ist, so daß die
Dicke der zweiten Stufe 52 insgesamt zwei ersten Dicken 48 entspricht. Es folgen in
gleicher Weise eine dritte Stufe 54 und eine vierte Stufe 56, welche die ersten beiden
Stufen 46, 52 zu einer treppenartigen Gestalt ergänzen, wobei die dritte Stufe 54
eine Dicke von drei ersten Dicken 48 bzw. die vierte Stufe 56 eine Dicke von vier
ersten Stufen 48 hat. Alle Stufenlängen der Stufen 46, 52, 54, 56 entsprechen der
Stufenfänge 50. Die Stufenoberseiten, deren Längen als Stufenlängen 50 bezeichnet
sind, sind jeweils parallel zur Basisseite 44 angeordnet.
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Der erste Isolierkeil 40 entspricht in seinen Abmessungen und Aufbau exakt dem
zweiten Isolierkeil 42. Das Schnittbild des ersten Isolierkeils 40 ist in dieser Ansicht
jedoch um 180° gegenüber dem zweiten Isolierkeil 42 rotiert. Zudem ist der erste
Isolierkeil 40 so positioniert, daß sich die jeweiligen stufenförmigen Seiten der
Isolierkeile 40, 42 exakt gegenüberliegen und in einem bestimmten Abstand 58 parallel
zueinander angeordnet sind.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel könnte derart auf der Basisseite 44 die erste Lage
18, zwischen den Isolierkeilen 40, 42 die zweite Lage 22 sowie gegenüber der, der
Basisseite 44 entsprechenden Basisseite des ersten Isolierkeils 40, die dritte Lage
30 angeordnet sein. Durch die Fig. 2 wird klar, daß die Basisseite 44 sowie die Seite
60 parallel zueinander liegen und demgemäß die diesen Seiten gegenüberliegenden
Lagen von Wicklungen ebenfalls parallel zueinander zu liegen kommen.
Bezugszeichenliste
10 Wicklungskern
12 Wicklungsachse
14 elektrischer Leiter
16 Isolationsmaterial
18 erste Lage
20 bestimmter Winkel
22 zweite Lage
24 Wicklungswinkel
26 erste Isolierschicht
28 Stufen
30 dritte Lage
32 zweite Isolierschicht
40 erster Isolierkeil
42 zweiter Isolierkeil
44 Basisseite
46 erste Stufe
48 erste Dicke
50 Stufenlänge
52 zweite Stufe
54 dritte Stufe
56 vierte Stufe
58 Abstand
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