DE102018201488A1

DE102018201488A1 - Elektrisches Gerät mit Pressplatten zum Verspannen eines magnetisierbaren Kerns

Info

Publication number: DE102018201488A1
Application number: DE102018201488.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Voss; Jörg Fröhner; Jonas Claus; Julian Kraus; Markus Baumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-01
Also published as: WO2019149469A1; CA3089164A1; US20210050139A1; CA3089164C; EP3721458A1; US11721471B2; RU2741441C1; CN111670481B; PL3721458T3; CN111670481A; EP3721458B1; DK3721458T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät (1), z.B. einen Bahntransformator, zum Anschluss an eine Hochspannungsleitung. Das elektrische Gerät (1) verfügt über einen magnetisierbaren Kern (2), wenigstens eine in der Nähe des Kerns (2) angeordnete Wicklung (5,6) und über ein mit Isolierfluid befülltes Gehäuse (9,10), in dem wenigstens eine Wicklung (5,6) angeordnet ist. Der Kern (2) ist zumindest abschnittsweise außerhalb des Gehäuses (9,10) angeordnet ist. Um eine stabile Halterung eines aus zwei Hälften bestehenden Kerns zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Kern (2) vollständig zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressplatten (11,12) angeordnet ist, zwischen denen sich Zugelemente (13) zum Verspannen des Kerns (2) erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an eine Hochspannungsleitung mit einem magnetisierbaren Kern, wenigstens einer in der Nähe des Kerns angeordneten Wicklung und einem mit Isolierfluid befüllten Gehäuse, in dem wenigstens eine Wicklung angeordnet ist, wobei der Kern zumindest abschnittsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Ein solches elektrisches Gerät ist aus der WO 2016/038222 A1 bereits bekannt. Dort ist ein Transformator offenbart, der einen luftgekühlten Eisenkern mit Kernschenkeln aufweist, die sich jeweils durch ein fluiddichtes Gehäuse hindurch erstrecken. Die beiden Kernschenkel sind durch ein oberes und unteres Joch unter Ausbildung eines geschlossenen Magnetkreises miteinander verbunden. Die Wicklungen des Transformators sind paarweise in den beiden nebeneinander liegenden Gehäusen angeordnet, die mit einem Isolierfluid befüllt sind. Zum Verspannen der Wicklungen am Kern sind zwei Spannrahmen vorgesehen, die jeweils aus zwei einander gegenüberliegenden Pressträgern bestehen. Die beiden Pressträger erstrecken sich seitlich neben dem oberen beziehungsweise unteren Joch, wobei durch Querverspannen der Pressträger der Spannrahmen fest am Kern gehalten ist und gleichzeitig die flächig aneinander anliegenden Elektrobleche des Kerns miteinander verspannt werden. Über den so montierten Pressrahmen ist ferner die stabile Halterung der Wicklungen am jeweiligen Kernschenkel bewirkt.
Aus der EP 2 929 551 B1 ist ebenfalls ein Transformator mit luftgekühlten Kern und schenkelweise gekapselten Wicklungen bekannt.
Dem eingangs genannten elektrischen Gerät haftet der Nachteil an, dass mit der dort vorgestellten Halterung keine Kerne verwendet werden können, die aus zwei Hälften bestehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auch eine stabile Halterung eines aus zwei Hälften bestehenden Kerns ermöglicht ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Kern vollständig zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressplatten angeordnet ist, zwischen denen sich Zugelemente zum Verspannen des Kerns erstrecken.
Erfindungsgemäß ist der Kern insgesamt zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressplatten angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich der gesamte Kern mit all seinen Abschnitten zwischen den Pressplatten. Die Presskraft, die über die Pressplatten in den Kern eingeleitet wird, ist parallel zur Längsrichtung der Wicklungen und der Kernabschnitte ausgerichtet, die sich durch die Wicklungen erstrecken. Auf diese Art und Weise ist es möglich, auch Kerne zu fixieren, die aus mehreren Teilen bestehen. Die miteinander verspannten Kernteile, beispielsweise Kernhälften, können sich dabei an ihren Außenkonturen entweder berühren oder bei Bedarf mit Abstand zueinander gehalten sein, so dass zwischen ihnen ein Luftspalt begrenzt ist. Durch die über die Zugelemente miteinander verbundenen Pressplatten ist ein stabiles Haltegerüst bereitgestellt, das sich zur kostengünstigen Fixierung von Kern, Gehäuse und Wicklungen eignet. Pressplatten und Zugelemente können grundsätzlich aus beliebigen Materialien bestehen. Vorteilhafterweise bestehen Pressplatten und Zugelemente jedoch aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Haltekonzepts kann auf weitere Montagekomponenten zur Halterung des elektrischen Geräts verzichtet werden. Auf diese Art und Weise ist ein effektives und kompaktes elektrisches Gerät bereitgestellt, das schnell und einfach montierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung weist der Kern Kernschenkel auf, die über ein unteres und ein oberes Joch miteinander verbunden sind, wobei das obere Joch stirnseitig an einer oberen Pressplatte und das untere Joch stirnseitig an einer unteren Pressplatte anliegt. Der Kern bildet auf diese Art und Weise einen geschlossenen Magnetkreis aus, der sich als besonders zweckmäßig herausgestellt hat. Die Kernschenkel erstrecken sich in einer Längsrichtung, die parallel zur Presskraft ausgerichtet ist.
Im Rahmen der Erfindung ist der z.B. als Schnittbandkern ausgeführt, der üblicherweise mit Hilfe von Bandagen oder Spangen fixiert wird. Dabei wird die Bandage entlang des Umfangs um den Schnittbandkern gelegt und dort mechanisch fixiert. Zur Fixierung werden Bandagenschlösser eingesetzt. Durch die Klemmspannung der Bandage werden die notwendigen mechanischen Haltekräfte für den gewickelten Kern erzeugt. Abweichend hiervon werden gemäß dem Stand der Technik Spangen mit Federeigenschaften eingesetzt, welche die Kernhälften der Schnittbandkerne aneinander pressen. Hierbei kommen oft leitfähige Metallelemente zum Einsatz, in denen beim Betrieb des elektrischen Geräts Wirbelströme induziert werden, die Verluste verursachen und den Wirkungsgrad des elektrischen Geräts negativ beeinflussen.
Zur Vereinfachung der Montage ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn wenigstens eine Pressplatte eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Abschnitts eines Jochs des Kerns aufweist. Die Ausnehmung ist vorteilhafterweise formkomplementär zu dem Bereich des Jochs ausgebildet, der von der Ausnehmung aufgenommen ist. Aufgrund dieser formkomplementären Ausgestaltung ist zum einen eine kompaktere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts ermöglicht. Darüber hinaus ist auch die Montage des elektrischen Geräts vereinfacht und die Stabilität vergrößert.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist das elektrische Gerät ein Transformator, insbesondere ein Transformator eines Schienenfahrzeugs. Abweichend hiervon ist das elektrische Gerät als Drossel ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung verfügt der Kern über zwei parallel zueinander angeordnete Kernschenkel, wobei jeder Kernschenkel von wenigstens zwei konzentrisch zueinander angeordneten Wicklungen umschlossen ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist das elektrische Gerät als Transformator ausgeführt. Der Kernschenkel dient zur induktiven Kopplung der konzentrisch zueinander angeordneten Wicklung. Die Wicklungen sind bevorzugt in einem den jeweiligen Kernschenkel umschließenden fluiddichten Gehäuse angeordnet, das mit einem Fluid, beispielsweise einem Ester oder einem mineralischen Öl, befüllt ist. Das Isolierfluid stellt zum einen die notwendige elektrische Isolierung aber auch eine Kühlung für die Wicklungen bereit.
Das Gehäuse besteht bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Isolierstoff, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff oder dergleichen.
Vorteilhafterweise ist jede Wicklung in einem Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist wenigstens eine Wicklung zwischen zwei Gehäusedeckelplatten des Gehäuses angeordnet, wobei die Gehäusedeckelplatten mit Hilfe der Zugelemente miteinander verspannt sind. Auf diese Art und Weise dienen die Zugelemente nicht nur zum Verspannen des Kerns. Vielmehr ermöglichen die Zugelemente auch eine sichere Halterung jeder Wicklung in definierter Stellung zum Kern. Hierzu sind die Zugelemente mechanisch mit den Gehäusedeckelplatten verbunden, zwischen denen die besagte Wicklung angeordnet ist. Bevorzugt liegen wenigstens zwei konzentrisch zueinander angeordnete Wicklungen an jeder Stirnseite an einer Gehäusedeckelplatte an. Die Gehäusedeckelplatten liegen, wie die Pressplatten, einander gegenüber, so dass sie über die Zugelemente gegeneinander verspannt werden können. Auf diese Weise wird der zur Halterung der Wicklung am Kern notwendigen Wicklungsdruck in die Wicklungen eingeleitet.
Vorteilhafterweise sind die Zugelemente Gewindestangen, Seile, Vollstäbe, Rohre oder Seilgeflechte. Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung Gewindestangen eingesetzt, auf die Klemmmuttern aufgeschraubt werden können. Die Gewindestangen erstrecken sich dabei durch Öffnungen in Abschnitten der Pressplatten beziehungsweise Gehäusedeckelplatten, so dass durch ein Festziehen der Schrauben die notwendigen Spann- oder Haltekräfte erzeugt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung sind die Zugelemente aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt. Hierbei kommen beliebige faserverstärkte Kunststoffe in Betracht, welche die notwendige mechanische Festigkeit aufweisen.
Vorteilhafterweise besteht die Pressplatte aus einem Stück. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Pressplatte aus mehreren Teilen besteht. Entsprechendes gilt für die Gehäusedeckelplatten.
Vorteilhafterweise weist der Kern zwei Kernhälften auf, die aneinander anliegen oder mit Hilfe von Abstandshaltern einen Luftspalt begrenzen. Gemäß einer weiteren Variante ist der Kern ein Wickelbandkern.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei

1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in einer Seitenansicht und
2 eine Detailansicht des mechanischen Gerüsts des elektrischen Geräts gemäß 1 verdeutlichen.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1 in einer Seitenansicht. Das als Transformator 1 ausgeführte elektrische Gerät verfügt über einen Kern 2 mit zwei Kernschenkeln 3 und 4, die sich jeweils durch eines von zwei Gehäusen erstrecken. Die Gehäuse sind in 1 ohne Seitenwände dargestellt, um den Blick auf die in dem Gehäuse angeordneten äußeren Wicklungen 5 und 6 freizugeben. Die Kernschenkel 3 und 4 sind durch ein oberes 7 und unteres Joch 8 miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Magnetkreis geschaffen ist. Der Kern 2 besteht aus einem magnetisierbaren Material, also beispielsweise einem ferromagnetischen Material, und ist als so genannter Schnittbandkern ausgeführt, der mehrere Wicklungs- oder Elektrobänder aufweist, die einander anliegen. Dabei sind die Elektrobänder beispielsweise kornorientierte Elektrobänder oder Elektrobleche. Abweichend davon bestehen sie aus einem amorphen Material.
In jedem ohne Seitenwand dargestellten Gehäuse, das die Kernschenkel 3 beziehungsweise 4 vollumfänglich umschließt, sind die von außen erkennbare Oberspannungswicklung 5 beziehungsweise 6 und jeweils eine figürlich nicht dargestellten Unterspannungswicklung konzentrisch zueinander angeordnet. Die konzentrischen Wicklungen sind durch die Kernschenkel 3 und 4 induktiv miteinander gekoppelt. Das Gehäuse ist mit einem Isolierfluid befüllt, das zur elektrischen Isolierung der Oberspannungswicklung 5 und der Unterspannungswicklung aber auch zu deren Kühlung dient. Die Oberspannungswicklung 5 ist in Reihe zur Oberspannungswicklung 6 geschaltet. Entsprechendes gilt für die innerhalb der Oberspannungswicklungen 5, 6 angeordneten Unterspannungswicklungen. Das Gehäuse besteht neben der figürlich nicht dargestellten Seitenwandung, die zylindrisch ausgebildet ist und um die Wicklungen herum verläuft, aus zwei stirnseitigen Gehäusedeckelplatten 9 und 10, die fluiddicht mit der nicht dargestellten Seitenwand verbunden sind.
Der Kern 2 ist vollständig zwischen einer ersten Pressplatte 11 und einer zweiten Pressplatte 12 angeordnet, die einander gegenüberliegen und durch Zugelemente 13 miteinander verbunden sind. Die Zugelemente sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als sich in einer Längsrichtung erstreckende Gewindestangen 13 ausgeführt, die mit einem Außengewinde versehen sind. Auf die Gewindestangen 13 aufschraubbare Klemmmuttern 14 können nun soweit auf die jeweilige Gewindestange 13 aufgeschraubt werden, bis der zwischen den Pressplatten 11 und 12 liegenden Kern 2 ausreichend fest verspannt ist. Darüber hinaus erstrecken sich die Gewindestangen 13 durch Durchgangslöcher, die in der Gehäusedeckelplatte 9 und der Gehäusedeckelplatte 10 vorgesehen sind. Mit Hilfe weiterer Klemmmuttern 14 können somit auch die einander gegenüberliegenden Gehäusedeckelplatten 9 und 10 miteinander verspannt werden. Dabei liegen die Wicklungen entweder direkt oder aber über einen Wicklungsring 15 oder einer sonstigen Komponente an den Gehäusedeckelplatten 9 und 10 an, so dass durch das Verspannen der Gehäusedeckelplatten 9 und 10 der notwendige Wicklungsdruck in die Wicklungen eingeleitet wird, um diese stabil in der gewünschten Stellung am jeweiligen Kernschenkel 3, 4 zu halten. Durch die Pressplatten 11, 12, die Gehäusedeckelplatten 9 und 10 sowie den Zugelementen 13 ist somit ein Haltegerüst bereitgestellt.
Das Haltegerüst erlaubt eine einfache, kostengünstige Montage des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1. Darüber hinaus ist es möglich, Kerne 2 einzusetzen, die aus zwei Hälften bestehen. Die beiden Hälften des Kerns 2 können aneinander anliegen, so dass ein geschlossener Magnetkreis ausgebildet ist. Abweichend hiervon sind nicht magnetisierbare Abstandshalter zwischen den Kernhälften vorgesehen, die einen Luftspalt zwischen den Hälften definieren.
2 zeigt eine Detailansicht der oberen ersten Pressplatte 11. Es ist erkennbar, dass diese über insgesamt sechs Gewindestangen 13 mit der unteren Pressplatte verbunden ist. Insbesondere ist erkennbar, dass obere Pressplatte 11 eine Ausnehmung 16 aufweist, die formkomplementär zur Außenkontur des oberen Jochs 7 in diesem Bereich ausgestaltet ist. Die Ausnehmung oder Einbuchtung 16 vereinfacht die Montage und erhöht die mechanische Festigkeit des Transformators 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/038222 A1 [0002]
EP 2929551 B1 [0003]

Claims

Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an eine Hochspannungsleitung mit - einem magnetisierbaren Kern (2), - wenigstens einer in der Nähe des Kerns (2) angeordneten Wicklung (5,6) und - einem mit Isolierfluid befüllten Gehäuse (9,10), in dem wenigstens eine Wicklung (5,6) angeordnet ist, - wobei der Kern (2) zumindest abschnittsweise außerhalb des Gehäuses (9,10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) vollständig zwischen zwei einander gegenüberliegenden Pressplatten (11,12) angeordnet ist, zwischen denen sich Zugelemente (13) zum Verspannen des Kerns (2) erstrecken.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) Kernschenkel (3,4) aufweist, die über ein unteres (8) und ein oberes Joch (7) miteinander verbunden sind, wobei das obere Joch (7) stirnseitig an einer oberen Pressplatte (11) und das untere Joch (8) stirnseitig an einer unteren Pressplatte (12) abgestützt ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Pressplatte (11,12) eine Ausnehmung (16) zur Aufnahme eines Jochs (7,8) des Kerns (2) aufweist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zwei parallel zueinander angeordnete Kernschenkel (3,4) aufweist, wobei jeder Kernschenkel (3,4) von wenigstens zwei Wicklungen (5,6) umschlossen ist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklung (5,6) in einem Gehäuse (9,10) angeordnet ist und über die Zugelemente (13) verspannt ist.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklung (5,6) zwischen zwei Gehäusedeckelplatten (9,10) des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Gehäusedeckelplatten (9,10) über die Zugelemente (3) miteinander verspannt sind.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (13) Gewindestangen, Seile, Vollstäbe, Rohre oder Seilgeflechte sind.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (13) und/oder die Pressplatten (11,12) aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehen.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Pressplatte (11,12) aus mehreren Teilen besteht.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zwei Kernhälften aufweist, die aneinander anliegen oder mit Hilfe von Abstandshaltern einen Luftspalt begrenzen.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) ein Wickelbandkern ist.