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Die
Erfindung betrifft eine mehrlagige Transformatorwicklung mit einem
um eine Wickelachse gewickelten Wicklungsleiter, mit wenigstens
zwei in axialer Richtung aneinandergrenzenden Wicklungsbereichen
und mit wenigstens einem über
die gesamte axiale Länge
der Transformatorwicklung zwischen zwei radial benachbarten Leiterlagen
verlaufenden Kühlkanal.
Zudem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine derartige
Transformatorwicklung.
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Es
ist allgemein bekannt, dass es bei Leistungstransformatoren aus
Isolationsgründen üblich ist,
eine Wicklung aus mehreren benachbarten und in axialer Richtung
aneinandergrenzenden Wicklungsbereichen aufzubauen. Bei derartigen
Wicklungen erstreckt sich lediglich die radial innerste Lage des Wicklungsleiters
wendelförmig über deren
gesamte axiale Länge
und alle weiteren radial darüberliegenden
Leiterlagen sind in mehreren – beispielsweise zwei – axial
aneinandergrenzenden Teilbereichen geführt. So ist bei einer derartigen
Transformatorwicklung der Wicklungsleiter in die radial äußersten
Lage des ersten Wicklungsbereiches eingeführt, verläuft lagenweise wendelförmig über die
axiale Länge
des ersten Teilbereiches der Transformatorwicklung und anschließend in
der jeweils darunter angrenzenden Leiterlage bis zum ersten Ende
der radial innersten Wicklungslage, welche sich über die gesamte axiale Länge der
Transformatorwicklung erstreckt Von dem zweiten Ende dieser radial
innersten Wicklungslage ausgehend ist der Verlauf des Wicklungsleiters
im zwei ten Wicklungsbereich analog zum ersten Wicklungsbereich und
führt zur
radial äußersten
Wicklungslage des zweiten Teilbereiches der Wicklung.
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Es
ist weiterhin bekannt, dass Leistungstransformatoren, beispielsweise
im Bereich von einigen kVA bis hin zu > 50 MVA, zur Ableitung der im Betrieb
des Transformators entstehenden Verlustwärme über sogenannte Kühlkanäle verfügen. Diese Kühlkanäle verlaufen
längs der
axialen Richtung der üblicherweise
annähernd
rotationssymmetrischen Transformatorwicklung zwischen zwei radial
benachbarten Leiterlagen über
die gesamte axiale Länge
der Transformatorwicklung. Die Geometrie derartiger Kanäle lässt sich
gut durch den Hohlraum beschreiben, welcher sich aus dem ineinanderschieben
zweier Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser ergibt. Derartige
Kanäle
sind im Betrieb üblicherweise
von einem Kühlmedium,
beispielsweise Luft, durchströmt,
welches an einem Ende des Kühlkanals
zugeführt
wird, während
des Strömens
durch den Kühlkanal
die durch Verlustwärme
erwärmte
Transformatorwicklung kühlt
und mit erhöhter
Temperatur am anderen Ende des Kühlkanals
wieder austritt.
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Das
Einbringen eines oder mehrerer besagter Kühlkanäle in eine Transformatorwicklung
erfolgt während
des Herstellungsprozesses der Transformatorwicklung zumeist in Form
jeweils eines vorgefertigten Bauteils.
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Nachteilig
bei der Herstellung einer mehrere Wicklungsbereiche aufweisenden
Transformatorwicklung mit Kühlkanal
ist, dass dann der Wicklungsleiter vor Einbringen des Kühlkanals
getrennt und danach wieder verbunden werden muss. Aufgrund der vorgegebenen
zeitlichen Abfolge des Wickelns der Leiterlagen in den verschiedenen
Wicklungsbereichen entstehen je nach Anzahl der Kühlkanäle eine Vielzahl
von Verbindungsstellen am Wicklungsleiter.
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Wird
ein Kühlkanal
in der vorstehend beschriebenen Weise in eine Transformatorwicklung mit
mehreren Wicklungsbereichen eingebracht, kann kein sequentieller,
unabhängiger
Aufbau der Wicklungsbereiche erfolgen. Der Aufbau des ersten Wicklungsbereiches
kann lediglich bis zu der Leiterlage erfolgen, auf deren radialer
Oberfläche
der Kühlkanal aufzubringen
ist.
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Da
bei der Fertigung von Transformatoren in aller Regel lediglich eine
Wickelvorrichtung verwendet wird, muss in diesem Fall der Wicklungsleiter
an einer Übergangsstelle
abgeschnitten werden und ein neuer Teilabschnitt an der radial innersten
Lage angesetzt werden. Unter Verwendung dieses zweiten Teilstücks kann
nun der zweite Wicklungsbereich aufgebaut werden, bis die Lagendicke
des ersten Wicklungsbereiches erreicht ist und der Kühlkanal auf
einer gemeinsamen radialen Lagendicke eingesetzt werden kann.
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Beim
weiteren Wickeln der radial außen
anschließenden
Leiterlagen der beiden Wicklungsbereiche ergeben sich je nach Wicklungsaufbau
ein oder zwei zusätzliche
Verbindungsstellen zwischen den fertigungstechnisch notwendigen
Teilabschnitten des Wicklungsleiters. Bei einem zusätzlichen
radial äußeren Kühlkanal
erhöht
sich die Anzahl der zusätzlichen
Verbindungsstellen entsprechend.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Transformatorwicklung der eingangs genannten Art anzugeben, welche besonders
einfach herstellbar ist und ein entsprechendes Herstellungsverfahren
hierfür.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Transformatorwicklung mit Kühlkanal
mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und einem Herstellungsverfahren
mit den im Anspruch 11 angegebenen Merkmalen.
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Demgemäß kennzeichnet
sich die erfindungsgemäße Transformatorwicklung
dadurch, dass der wenigstens eine Kühlkanal wenigstens zwei in axialer
Länge aneinandergefügte Segmente
aufweist, deren jeweilige Länge
auf die axiale Länge
des jeweiligen Wicklungsbereiches angepasst ist.
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Ein
axial segmentierter Kühlkanal
ermöglicht somit
eine besonders einfache Fertigung der jeweiligen Wicklungsbereiche.
Jedes Segment eines Kühlkanals
wird bereits dann eingebracht, wenn die radial darunter liegende
Wicklungslage nur über
die axiale Länge
des jeweiligen Wicklungsbereiches gewickelt ist. Die Wicklungslage
muss daher nicht über
die gesamte axiale Länge
der Wicklung fertig gestellt sein, wie es seither üblich war.
Ein fertigungstechnisch bedingtes Auftrennen des Wicklungsleiters
für das
Einbringen eines Kühlkanals
entfällt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung
beträgt
die Anzahl der axial aneinander gefügten Segmente des Kühlkanals
zwei.
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Die
Anzahl der Segmente eines Kühlkanals korrespondiert
zu der Anzahl an Wicklungsbereichen. Zwei Wicklungsbereiche erweisen
sich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung als
besonders einfach. Die galvanische Verbindung zwischen erstem und
zweitem Wicklungsbereich erfolgt über die radial innerste und
sich über
die gesamte axiale Länge
der Transformatorwicklung erstreckende Leiterlage, wobei die beiden
Enden des Wicklungsleiters in vorteilhafter Weise aus der radial äußersten
Leiterlage geführt
werden. Es ist keine zusätzliche
Führung
des Wicklungsleiters in radialer Richtung durch alle Leiterlagen
zwischen der äußersten
zur innersten Leiterlage notwendig, wie im Fall einer ungeraden
Anzahl an Wicklungsbereichen. Demgemäß ist eine weitere bevorzugte
Anzahl an Wicklungsbereichen auch beispielsweise vier oder sechs.
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In
einer weiteren Variante der Transformatorwicklung weist ein Segment
eines Kühlkanals
zwei rohrähnliche
Elemente verschiedeneren Durchmessers auf, welche entlang derselben
axialen Länge
radialsymmetrisch um die Wickelachse angeordnet sind und durch Abstandselemente
zueinander positioniert sind.
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Ein
solches Segment lässt
sich bei der Herstellung der Transformatorwicklung einfach einsetzen
und ist auch mit einer entsprechend hohen Maßhaltigkeit zu fertigen, welche
ein problemloses Aneinanderfügen
an axial angrenzende Kühlkanalsegmente
ermöglicht.
Fernerhin bietet eine derartige Form die maximale direkte Kontaktfläche zu den
angrenzenden Wicklungslagen, so dass die Wärmeabfuhr durch ein durch den
Kühlkanal
fließendes
Medium, wie beispielsweise Luft, begünstigt wird.
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Es
ist aber auch im Sinne der Erfindung, dass ein rohrähnliches
Element mehrere aufeinander angepasste Bauteile aufweist.
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Dadurch
lässt sich
insbesondere bei größeren Transformatorwicklungen
die Handhabung beim Zusammenbau vereinfachen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind jeweils mehrere radial um die Wicklungsachse angeordnete Kühlkanäle zwischen
den zwei Leiterlagen angeordnet.
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Dies
bietet fertigungstechnische Vorteile, weil die Kühlkanäle somit auf einfache Standardrohre reduziert
werden können.
Diese können
beispielsweise einen runden, quadratischen oder auch trapezförmigen Querschnitt
aufweisen. Dennoch ist durch die radiale Anordnung derartiger Kühlkanäle um die Wickelachse
eine gute Kühlwirkung
um den gesamten Wicklungsumfang gegeben. Auch hier ist es im Gedanken
der Erfindung, die Kühlkanäle segmentweise
vorzufertigen und einzubringen.
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Eine
weitere Variante der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung weist
wenigstens einen Kühlkanal
und/oder wenigstens zwei Segmente auf, welche in wenigstens jeweils
zwei Einzelkanäle
unterteilt sind, insbesondere mittels Stegen oder Trennwänden.
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Durch
eine solche Unterteilung entstehen in vorteilhafter Weise zusätzliche
Regelungsmöglichkeiten
für die
Kühlung,
welche auf diese Weise auch nur für bestimmte Teilbereiche der
Wicklung möglich ist.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Transformatorwicklung greift der Wicklungsleiter im Wesentlichen
radial durch den wenigstens einen Kühlkanal.
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Auf
diese Weise lässt
sich ein Übergang
des Wicklungsleiters zwischen den Leiterlagen, welche radial an
den Kühlkanal
angrenzen, besonders einfach realisieren. Die sich daraus möglicherweise
ergebende Störkontur
im Kühlkanal
beeinflusst die Kühlfunktion
nicht nachteilig. Bei einem Aufbau des Kühlkanals mit mehreren strömungstechnisch
unabhängigen
Einzelkanälen
ist eine entsprechende Leiterführung
auch zwischen zwei einzelnen Kühlkanälen denkbar.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Transformatorwicklung ist der wenigstens eine Kühlkanal
elektrisch isolierend ausgeführt.
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Dies
ermöglicht
eine zusätzliche
Isolation der den Kühlkanal
einschließenden
Leiterlagen zueinander und kann den Isolationsaufwand, welcher zwischen
den einzelnen Leiterlagen üblicherweise durchzuführen ist,
in günstiger
Weise reduzieren. Die Spannungsfestigkeit der Wicklung wird dadurch
in vorteilhafter Weise erhöht.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung
sind die sich gegenüber
liegenden Segmentenden eines Kühlkanals
verbindbar, insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig und
insbesondere als Schnappverbindung und/oder als Doppelkonus.
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Auf
diese Weise lassen sich die Segmente eines Kühlkanals in besonders vorteilhafter
Weise schnell und sicher miteinander verbinden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind mehrere galvanisch voneinander getrennte Wicklungsleiter um
die Wickelachse gewickelt.
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Dies
ermöglicht
beispielsweise den Aufbau einer Primär- und einer Sekundärwicklung
mit verschiedenen Spannungsebenen auf demselben Wickelkörper. Auch
die Unterbringung einer Tertiärwicklung,
wie einer Dreiecksausgleichswicklung, in der Transformatorwicklung
ist innerhalb des Erfindungsgedankens. Die Anzahl der sich ergebenden
Wicklungsbereiche steigt mit der Anzahl der galvanisch getrennten
Wicklungsleiter. Beispielsweise kann sich ein erster galvanisch
unabhängiger
Wicklungsleiter über
die Leiterlagen 1 bis 10 erstrecken und ein zweiter galvanisch unabhängiger Wicklungsleiter über die Leiterlagen
11 bis 15.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird weiterhin gelöst
durch ein Herstellungsverfahren für eine mehrlagige Transformatorwicklung
nach einem der Ansprüche
1 bis 10, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wicklungsleiter
als eine innere Leiterlage entlang der axialen Länge eines der wenigstens zwei Wicklungsbereiche
um die Wickelachse gewickelt wird, dass auf der radial äußeren Oberfläche der
inneren Leiterlage ein Segment wenigstens eines Kühlkanals
aufgebracht wird, dass der Wicklungsleiter im axialen Bereich des
ersten Segments in eine radial außen angrenzende äußere Leiterlage
geführt wird,
dass die äußere Leiterlage
im axialen Bereich des ersten Segmentes gewickelt wird und dass
beim Herstellen weiterer Wicklungsberei che die Segmente so angeordnet
werden, dass ein durchgehender Kühlkanal
gebildet wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist die Fertigung einer Wicklung mit mehreren
Wicklungsbereichen besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Wicklungsbereiche
sequentiell und vollständig
gefertigt werden. Die Anzahl der benötigten Verbindungsstellen des
Wicklungsleiters kann dadurch in vorteilhafter Weise gesenkt werden
und der Fertigungsprozess damit beschleunigt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird wenigstens
eine weitere Leiterlage entlang der axialen Länge des betreffenden Wicklungsbereiches
um den Wickelkern gewickelt, bevor die innere Wicklungslage gewickelt
wird, auf deren radial äußerer Oberfläche das
erste Segment des wenigstens eines Kühlkanals aufgebracht wird.
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Je
nach Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Transformatorwicklung
sind nämlich
mehrere Leiterlagen zwischen dem Wicklungskern und den wenigstens
einen Kühlkanal
vorzusehen.
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Es
ist aber auch innerhalb des Erfindungsgedankens, wenigstens eine
der zuvor genannten weitern Leiterlagen über die gesamte axiale Länge der Transformatorwicklung
zu wickeln, vorzugsweise die radial innerste Leiterlage.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens
werden wenigstens zwei radial benachbarte Kühlkanäle eingebracht, welche jeweils
in radialer Richtung durch das Wickeln wenigstens einer Leiterlage
getrennt werden.
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Damit
können
in mehreren radialen Ebenen Kühlkanäle eingebracht
werden, welche insbesondere bei großen Transformatorwicklungen
eine gesteigerte Kühlwirkung
erzielen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
werden jeweilige Segmente eines Kühlkanals nach der Einbringung
eines jeweils angrenzenden Segmentes desselben Kühlkanals miteinander verbunden.
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Durch
eine solche zusätzliche
Verbindung, welche beispielsweise auch das Einbringen eines Kopplungselementes
zwischen den zu verbindenden Segmenten beinhaltet, wird eine besonders
robuste Verbindung hergestellt.
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Anhand
der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die
Erfindung, weitere Ausführungsformen
und weitere Vorteile näher
beschrieben werden.
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Es
zeigt
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einzige
Fig.: ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen, mehrlagigen, rotationssymmetrischen Transformatorwicklung
mit Kühlkanal.
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In
der einzigen Fig. ist aus Gründen
der Veranschaulichung in der Darstellung eines ersten und zweiten
Wicklungsbereiches in der linken Hälfte des Schnittbildes der
Wickelsinn eines Wicklungsleiters gezeigt, während in der Darstellung desselben
ersten und zweiten Wicklungsbereiches in der rechten Hälfte des
Schnittbildes ein Wicklungsleiter angedeutet ist. Es sei darauf
verwiesen, dass die Darstellung in diesem Fall nur schematisch ist
und sich bei realen Transformatorwicklungen je nach Spannungsebene und
Nennleistung durchaus auch deutlich mehr Wicklungslagen ergeben
können,
beispielsweise 20 oder mehr. Darüber
hinaus sind in der linken Hälfte des
Schnittbildes ein erstes und ein zweites Segment eines Kühlkanals
gezeigt, welche in der rechten Hälfte
des Schnittbildes als ein einziger Kühlkanal dargestellt sind, wobei
der Kühlkanal
als rohrförmig
um den Wickelkern angeordnet anzusehen ist.
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Die
einzige Fig. zeigt ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen, mehrlagigen
Transformatorwicklung 10 mit einem Kühlkanal 15, welcher
zwei Segmente 13, 14 aufweist, und mit einem Wickelkern 11. Die
dargestellte Transformatorwicklung 10 weist fernerhin einen
ersten 21, 23 und einen zweiten Wicklungsbereich 22, 24 auf,
welche in axialer Richtung aneinandergrenzen.
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Der
Kühlkanal 15 weist
ein erstes Segment 13, dessen Länge der axialen Lände des
ersten Wicklungsbereiches 21, 23 entspricht und
ein zweites Segment 14, dessen Länge der axialen Länge des
zweiten Wicklungsbereiches 22, 24 entspricht, auf.
Die beiden Segmente 13, 14 des Kühlkanals 15 sind
an ihrer Kontaktfläche
in geeigneter Weise miteinander verbunden, um insbesondere einen
Austritt des Kühlmediums,
welches den Kühlkanal
durchströmt,
zu verhindern, was aber in der einzigen Fig. nicht gezeigt ist.
Die Verbindung kann kraftschlüssig oder
auch formschlüssig
sein. Es kommt auch eine Verbindung über ein Kuppelelement, z. B.
ein Kuppelstück
wie beispielsweise eine Muffe in Betracht.
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Die
dargestellte Transformatorwicklung 10 umfasst fünf Wicklungslagen 31 bis 35,
welche die jeweiligen Wicklungslagen des ersten Wicklungsbereiches 21, 23 und
des zweiten Wicklungsbereiches 22, 24 beinhalten.
Demgemäß befindet
sich sowohl die radial äußerste Wicklungslage
des ersten Wicklungsbereiches 21, 23 und des zweiten
Wicklungsbereiches 22, 24 in der fünften Wicklungslage 35.
Durch diesen annähernd
gleichen radialen Abstand der jeweiligen Wicklungslagen 31 bis 35 der
jeweiligen Wicklungsbereiche 21, 22, 23, 24 von
der gedachten Rotationsachse 12 ist erreicht, dass der
Kühlkanal 15 zwischen
den verschiedenen Wicklungsbereichen 21, 23 und 22, 24 in
etwa gleichem radialen Abstand von der Rotationsachse 12 geführt ist.
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Der
Darstellung 21, 22 des Wickelsinns des ersten
Wicklungsbereiches 21, 23 und des zweiten Wicklungsbereiches 22, 24 sind
die Punkte A, B, C D, E, F und G zu entnehmen.
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Es
sei anhand der einzigen Fig. zunächst
der Herstellungsvorgang der dargestellten erfindungsgemäßen Transformatorwicklung
mit segmentiertem Kühlkanal 15 beschrieben.
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An
einem mit dem Punkt A gekennzeichneten axialen Ende des Wickelkörpers 11 wird
der Wicklungsleiter angesetzt und in der ersten Wicklungsebene 31 wendelförmig um
den Wicklungskern 11 bis zum anderen axialen Ende des Wickelkörpers 11 gewickelt.
Anschließend
wird der Wicklungsleiter in die darüber liegende zweite Wicklungsebene 32 geführt und
wendelförmig
um die Rotationsachse 11 bis zum Punkt B gewickelt, wo
der erste Wicklungsbereich 21, 23 an den zweiten
Wicklungsbereich 22, 24 angrenzt. Nun wird der
Wicklungsleiter in radialer Richtung umgebogen und mindestens um
die Breite des Kühlkanals 15 in
radialer Richtung nach außen geführt.
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Nachfolgend
kann das erste Segment 13 des Kühlkanals 15 in die
Wicklung eingebracht werden, wobei in diesem Fall das Teilstück B–C des Wicklungsleiters
durch eine Ausnehmung am Rand des ersten Kühlkanalsegmentes 13 geführt wird.
Der Wicklungsleiter wird am Punkt C wiederum entsprechend gebogen
und in die dritten Wicklungslage 33 wendelförmig um
die radiale Achse des ersten Wicklungsabschnittes 21, 23 zum
anderen axialen Ende des Wickelkörpers
geführt,
wo der Übergang
zur vierten Wicklungslage 34 erfolgt. Dieser Vorgang setzt sich
in analoger Weise fort, bis der Punkt D erreicht ist, von wo der
dann abgeschnittene Wicklungsleiter einem späteren nicht gezeigten ersten
Anschlusspunkt der Wicklung dient.
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Nun
wird der Wicklungsleiter am Punkt A angesetzt und elektrisch mit
diesem verbunden. In analoger Weise zum Aufbau des ersten Wicklungsbereiches
erfolgt nun der Aufbau des zweiten Wicklungsbereiches 22, 24 entlang
der Punkte E, F bis hin zum Punkt G, von wo der Wicklungsleiter
dem zweiten Anschlusspunkt der späteren Wicklung zugeführt werden
kann.
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Es
zeigt sich, dass zur Herstellung der Wicklung nur eine Verbindungsstelle
des Wicklungsleiters benötigt
wird, nämlich
am Punkt A.
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Dies
ist weniger aufwändig
als bei der Herstellung einer vergleichbaren Transformatorwicklung mit
einteiligem Kühlkanal,
wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist. In diesem Fall
werden drei Verbindungsstellen benötigt, nämlich an den Punkten A, C und
F.
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- 10
- Schnittbild
einer mehrlagigen rotationssymmetrischen Transformatorwicklung mit
Kühlkanal
- 11
- Wickelkörper
- 12
- Rotationsachse
- 13
- Erstes
Segment des Kühlkanals
- 14
- Zweites
Segment des Kühlkanals
- 15
- Kühlkanal
aus verbundenem Segment 13 und Segment 14
- 21
- Durch
Wicklungen und Kühlkanal
gefüllter
erster Wicklungsbereich in einer ersten Schnittdarstellung mit Wickelsinn
- 22
- Durch
Wicklungen und Kühlkanal
gefüllter zweiter
Wicklungsbereich in einer ersten Schnittdarstellung Wickelsinn
- 23
- Durch
Wicklungen und Kühlkanal
gefüllter
erster Wicklungsbereich in einer zweiten Schnittdarstellung
- 24
- Durch
Wicklungen und Kühlkanal
gefüllter zweiter
Wicklungsbereich in einer zweiten Schnittdarstellung
- 31
- Erste
Wicklungsebene
- 32
- Zweite
Wicklungsebene
- 33
- Dritte
Wicklungsebene
- 34
- Vierte
Wicklungsebene
- 35
- Fünfte Wicklungsebene
- A
- Erster
Punkt im Wicklungsverlauf
- B
- Zweiter
Punkt im Wicklungsverlauf
- C
- Dritter
Punkt im Wicklungsverlauf
- D
- Vierter
Punkt im Wicklungsverlauf
- E
- Fünfter Punkt
im Wicklungsverlauf
- F
- Sechster
Punkt im Wicklungsverlauf
- G
- Siebter
Punkt im Wicklungsverlauf