DE102017126473A1

DE102017126473A1 - Transformator zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102017126473A1
Application number: DE102017126473.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Cornelius; Wolfgang Mönig
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-16
Also published as: CN111357067B; WO2019092014A1; EP3707736A1; US20200357561A1; CN111357067A

Abstract

Ein Transformator (1) zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern (2), welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule (3, 4) umgeben ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, einen Transformator anzugeben, bei welchem die Geometrie einer Spule möglichst variabel wählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche (2c) des Kerns (2) größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder von der Gesamtquerschnittsfläche (2c) abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern, welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule umgeben ist.
In konventionellen Traktionstransformatoren wird üblicherweise ein Kern verwendet, der aus mehreren Blechpaketen zusammengesetzt ist. Hierbei entstehen mehrere Stoß- und Verbindungsstellen. Wenn vier Blechpakete verwendet werden, treten üblicherweise vier Stoß- und Verbindungsstellen auf. Die zur Fertigung des Kerns verwendeten Kernbleche werden zu Paketen gestapelt und ineinander verschachtelt aufgebaut.
Vor diesem Hintergrund wird die Geometrie einer Spule durch die Geometrie des Wickelkörpers vorgegeben. Ein runder Wickelkörper führt zu einer im Wesentlichen runden Spule, ein eckiger Wickelkörper führt zu einer eher eckigen Spule. Bei konventionell erhältlichen Traktionstransformatoren treten üblicherweise eher runde oder näherungsweise rechteckige Geometrien auf, wobei die jeweilige Geometrie eng mit dem jeweils angewendeten Fertigungsverfahren zusammenhängt. In bestimmten Anwendungsfällen kann aber eine eher runde oder näherungsweise rechteckige Geometrie nachteilig sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transformator anzugeben, bei welchem die Geometrie einer Spule möglichst variabel wählbar ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Transformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach ist der eingangs genannte Transformator dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche des Kerns größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder jeweils von der Gesamtquerschnittsfläche abweichen.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass an einen Transformator für Bahnanwendungen besondere Anforderungen gestellt werden, nämlich Anforderungen an sein Gewicht, an seine mechanischen Eigenschaften und an die Geometrie seines Gehäuses.
Darauf ist erkannt worden, dass diese Anforderungen im Wesentlichen dann erfüllt werden können, wenn der Kern des Transformators im Hinblick auf sein Gewicht, seine mechanischen Eigenschaften und seine Geometrie geeignet ausgelegt ist.
Es ist auch erkannt worden, dass ein Bedarf nach einem besonderen Kern für Transformatoren für Bahnanwendungen besteht, da hierfür üblicherweise Kerne verwendet werden, die auch bei Transformatoren in Industrieanlagen zum Einsatz kommen.
Erfindungsgemäß ist schließlich erkannt worden, dass durch eine Modifikation der Gesamtquerschnittsfläche des Kerns sowohl die Spulen als auch das Gehäuse leicht modifizierbar und an Bahnanwendungen anpassbar sind. Die Geometrien der Spulenquerschnittsflächen sind leicht an die Geometrie des Gehäuses anpassbar. Hierdurch kann der Aufbau des Transformators kompakter als bisher gestaltet werden. Mit einem kompakteren Transformator können größere Spannungs- und Leistungsbereiche abgedeckt werden.
Vorteilhaft sind die Segmente als Kernblechpakete ausgestaltet. Ein Kern kann so in üblicher Weise gefertigt werden. Es können Kernblechpakete mit unterschiedlichen, aber auch mit gleichen Querschnittsflächen zum Einsatz kommen, um die Gesamtquerschnittsfläche des Kerns puzzleartig oder mosaikartig zu gestalten. So sind Gesamtquerschnittsflächen erzeugbar, die von regelmäßigen Rechtecksflächen oder quadratischen Flächen abweichen und Auswölbungen oder Einbuchtungen aufweisen.
Vor diesem Hintergrund zeigt eine Einzelquerschnittsfläche bevorzugt die Geometrie eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Trapezes, eines Kreissegments oder einer anderen geometrischen Fläche mit mindestens einer geraden Seite. Solche Segmente können besonders gut mit ihren geraden Seiten an andere Segmente mit geraden Seiten angelegt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Einzelquerschnittsfläche die Geometrie eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals oder einer anderen geometrischen Fläche mit einer gekrümmten Umrandung. Hierdurch können Gesamtquerschnittsflächen eines Kerns mit Auswölbungen oder Rundungen gefertigt werden.
Vorteilhaft weist eine Spulenquerschnittsfläche neben Rundbereichen, in denen die Wicklung eine Richtungsänderung erfährt, mindestens eine Schrägseite auf, die zu mindestens zwei parallelen Seiten geneigt ist. Hierdurch kann eine Spule unter einer Schräge, insbesondere einer Dachschräge eines Schienenfahrzeugs, angeordnet werden.
Vorteilhaft umfängt ein Gehäuse den Kern und mindestens zwei Spulen. Hierdurch sind die Spulen und der Kern vor einem Zugriff gesichert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse eine Gehäusequerschnittsfläche auf, die zumindest abschnittsweise trapezartig ausgestaltet ist. Hierdurch ist das Gehäuse in ein Schienenfahrzeug oder ein Bahnprofil einpassbar.
Bevorzugt umfasst ein Schienenfahrzeug einen Transformator der hier beschriebenen Art. So kann ein kompakter und leistungsstarker Transformator in Bahnanwendungen eingesetzt werden.
Der Transformator ist bevorzugt als Traktionstransformator ausgestaltet.
In der Zeichnung zeigen

1 eine Schnittansicht eines konventionell gefertigten Transformators für Bahnanwendungen mit zwei Spulen, deren Kern jeweils eine rechteckige Gesamtquerschnittsfläche aufweist, wobei die Spulen eine im Wesentlichen rechteckige Spulenquerschnittsfläche zeigen und wobei die Eckbereiche der Spulenquerschnittsflächen als Rundbereiche ausgebildet sind,
2 zeigt einen Transformator, wobei die Geometrien der Spulenquerschnittsflächen seiner Spulen den Abmessungen eines Bahnprofils angepasst sind, und
3 eine schematische Schnittansicht von Kernblechpaketen, wobei beispielhaft zwei Gesamtquerschnittsflächen von Kernen durch Addieren bzw. Kombinieren von Kernblechpaketen mit unterschiedlichen Einzelquerschnittsflächen bzw. Abmessungen gefertigt werden.

1 zeigt einen Transformator des Stands der Technik, dessen äußere Abmessungen durch ein Bahnprofil vorgegeben sind.
2 zeigt einen Transformator 1 zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern 2, welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule 3 umgeben ist.
Der Kern 2 ist aus einzelnen Segmenten gefertigt, wobei die Gesamtquerschnittsfläche 2c des Kerns größer als die Summe der Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b der Segmente ist.
Diese Segmente sind hinsichtlich ihrer Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b im oberen Teil von 3 dargestellt.
Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b unterscheiden sich in ihrer Größe voneinander, weichen also voneinander in ihrer Größe ab. Ihre Flächen sind unterschiedlich groß.
Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b unterscheiden sich auch in ihrer geometrischen Form voneinander und weichen daher auch hinsichtlich ihrer Geometrie voneinander ab. Zwar zeigen beide Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b jeweils die Geometrie eines Rechtecks, jedoch haben die Seiten der zwei dargestellten Rechtecke unterschiedliche Längenverhältnisse. Links ist ein länglicheres Rechteck dargestellt, rechts ist ein gedrungeneres Rechteck dargestellt.
Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b weichen jeweils in ihrer geometrischen Form auch noch von der Gesamtquerschnittsfläche 2c ab, welche sechseckig ist, eine Stufeneinbuchtung aufweist und nicht als Rechteck ausgebildet ist.
Die Segmente sind als Kernblechpakete ausgestaltet. Diese bilden den Kern 2.
3 zeigt, dass drei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b, 2ab jeweils die Geometrie eines Rechtecks zeigen.
2 zeigt, dass eine Spulenquerschnittsfläche 3a neben drei Rundbereichen 6, in denen die Wicklung eine Richtungsänderung um 90° erfährt, mindestens eine Schrägseite 7 aufweist, die zu mindestens zwei parallelen Seiten 5a, 5b geneigt ist.
Ein Gehäuse 8 umfängt den Kern 2 und mindestens zwei Spulen 3, 4, die den Kern 2 umfangen. Das Gehäuse 8 weist eine Gehäusequerschnittsfläche 8a auf, die abschnittsweise, nämlich im oberen Abschnitt des Gehäuses 8, trapezartig ausgestaltet ist.
Im unteren Abschnitt des Gehäuses 8 ist schematisch ein Nutzraum 9 dargestellt, der durch die Ausgestaltung des Kerns 2 gegenüber der Ausgestaltung des Stands der Technik gemäß 2 gewonnen werden kann.
Es können zwei, drei oder mehr als drei Segmente zum Aufbau des Kerns 2 verwendet werden. Die Segmente können in üblicher Weise miteinander verbunden werden.
Die Gesamtquerschnittsfläche 2c und die Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b sind orthogonal zur Richtung des magnetischen Flusses durch den Kern 2 und/ oder zur Längsachse einer Spule 3, 4 orientiert.
Ein nicht gezeigtes Schienenfahrzeug umfasst den Transformator 1.
Bezugszeichenliste

1, 1': Transformator
2, 2': Kern von 1, 1'
2a: Einzelquerschnittsfläche
2b: Einzelquerschnittsfläche
2ab: Einzelquerschnittsfläche
2c: Gesamtquerschnittsfläche
2d: Gesamtquerschnittsfläche
3: Spule
3a: Spulenquerschnittsfläche
4: weitere Spule
5a: untere parallele Seite von 3a
5b: obere parallele Seite von 3a
6: Rundbereich von 3a
7: Schrägseite von 3a
8, 8': Gehäuse
8a: Gehäusequerschnittsfläche
9: Nutzraum

Claims

Transformator (1) zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern (2), welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule (3, 4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche (2c) des Kerns (2) größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder von der Gesamtquerschnittsfläche (2c) abweichen.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente als Kernblechpakete ausgestaltet sind.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelquerschnittsfläche (2a, 2b, 2ab) die Geometrie eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Trapezes, eines Kreissegments oder einer anderen geometrischen Fläche mit mindestens einer geraden Seite zeigt.
Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelquerschnittsfläche die Geometrie eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals oder einer anderen geometrischen Fläche mit einer gekrümmten Umrandung zeigt.
Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulenquerschnittsfläche (3a) neben Rundbereichen (6), in denen die Wicklung eine Richtungsänderung erfährt, mindestens eine Schrägseite (7) aufweist, die zu mindestens zwei parallelen Seiten (5a, 5b) geneigt ist.
Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (8) den Kern (2) und mindestens zwei Spulen (3, 4) umfängt.
Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) eine Gehäusequerschnittsfläche (8a) aufweist, die zumindest abschnittsweise trapezartig ausgestaltet ist.
Schienenfahrzeug, umfassend einen Transformator (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche.