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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kern für einen Transformator, der eine Vielzahl gebogener Bleche umfasst, die allesamt zu einer um eine Kernöffnung umlaufenden, den Kern bildenden Struktur verbunden sind, wobei sich jeweils die Blechenden eines jeden Blechs innerhalb des Kerns gegenseitig nicht berühren, sodass die Bleche an ihren jeweiligen Blechenden innerhalb des Kerns oder an einem Rand des Kerns mindestens einen Luftspalt mit dem Kern ausbilden.
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Im Transformatorenbau werden die Kerne der Transformatoren oft als sogenannte Wickelkerne ausgebildet, die aus vielen Lagen von dünnen Blechen bestehen, die gegeneinander versetzt umeinander gelegt beziehungsweise ineinander geschoben werden und Blechwindungen mit mindestens einem Schnitt bilden.
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Ein Schenkel der Wickelkerne führt durch die Transformatorenwicklungen hindurch. Mehrere Wickelkerne können nebeneinander oder umeinander angeordnet werden. Bei einigen Typen der Kerne, beispielsweise den Typen „Unicore single“, werden die Wickelkerne zunächst von Hand in einzelne sogenannte „Bücher“ zerlegt, um dann Buch für Buch durch die vorgefertigten Transformatorenwicklungen von Hand hindurchgelegt zu werden. Ein solcher Fertigungsprozess läuft manuell ab und kann damit nicht kostengünstig durchgeführt werden.
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Bei anderen Typen von Wickelkernen, wie z. B. bei Wickelkernen des Typs „Unicore duo“, kann der vollständige Kern in zwei meist U-förmige oder V-förmige Hälften getrennt werden, wobei jede Hälfte für sich aus entgegengesetzten Richtungen durch die vorgefertigten Transformatorenwicklungen geführt werden kann, um dann zu einem vollständigen Kern zusammengefügt zu werden. Ein solcher Kern kann automatisiert durch die Transformatorenwicklungen montiert werden.
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An den Schnitten der Bleche der Wickelkerne bilden sich jeweils mehr oder minder weite Luftspalte aus, die einen mit der Weite zunehmenden magnetischen Widerstand darstellen und damit entsprechende Leerlaufverluste bewirken. Während Wickelkerne vom Typ „Unicore single“ je Blechwindung nur einen Schnitt haben, hat ein Wickelkern vom Typ „Unicore duo“ oder ein Stapelkern zwei Schnitte je Blechwindung. Dies führt dazu, dass bei diesen Typen höhere Leerlaufverluste entstehen. Diese verringern den Wirkungsgrad des Transformators. Die Leerlaufverluste sind insbesondere in Energieverteilnetzen ein wichtiges Kriterium für die Auswahl eines Transformatorentyps.
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Die durch die Erfindung gelöste Aufgabe besteht daher darin, die Leerlaufverluste in den Transformatoren durch möglichst geringe magnetische Widerstände zu minimieren.
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Es wird ein Kern für einen Transformator zur Verfügung gestellt, der eine Vielzahl gebogener Bleche umfasst. Die Bleche sind allesamt zu einer um eine Kernöffnung umlaufenden, den Kern bildenden Struktur verbunden, wobei sich jeweils die Blechenden eines jeden Blechs innerhalb des Kerns gegenseitig nicht berühren, sodass die Bleche an ihren jeweiligen Blechenden innerhalb des Kerns oder an einem Rand des Kerns mindestens einen Luftspalt mit dem Kern ausbilden. Erfindungsgemäß ist der Kern zumindest an den Blechenden der Bleche mit einem Lack imprägniert oder beschichtet, welcher magnetische Partikel enthält, wobei die Imprägnierung oder die Beschichtung zumindest die Luftspalte an den Blechenden der Bleche ausfüllt.
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Die Imprägnierung füllt also zumindest den Bereich der Luftspalte zwischen den Blechenden aus. Dies führt dazu, dass der Magnetfluss beim Übergang von einem Blechende durch den mit magnetischen Lack gefüllten Luftspalt zum nächsten Blechende nicht so stark ausgebaucht wird, wie es ohne magnetisch permeable Füllung, also etwa bei einer Füllung mit Öl oder Luft, der Fall wäre. Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kerns verringert sich also der magnetische Widerstand eines Transformators. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Leerlaufverluste bei einem erfindungsgemäßen Kern verglichen mit denen von Kernen des Standes der Technik reduziert.
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Bevorzugt ist der gesamte Kern mit dem die magnetischen Partikel enthaltenden Lack imprägniert oder beschichtet. Die Imprägnierung beziehungsweise die Beschichtung kann also auch auf den gesamten Kern angewendet werden, wodurch der Kernfüllfaktor und damit die Effizienz des Transformators verbessert wird. Die durch die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung eingebrachten magnetischen Partikel verringern den magnetischen Widerstand des Kerns.
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Vorzugsweise sind die magnetischen Partikel superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel. Solche Nanopartikel sind derart klein, dass sie mit dem flüssigen Lack eine Suspension bilden und so mit dem flüssigen Lack auch in schmale Luftspalte eines Kerns eindringen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lack ein Polyurethanlack. Ein solcher Lack zeichnet sich durch seine Härte und seine Korrosionsfestigkeit aus. Auch ist bei diesen Lacken eine Suspensionsbildung mit den superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln möglich.
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Vorzugsweise ist der Lack ein Lack auf Wasserbasis. Bei Verwendung eines Lacks auf Wasserbasis entfallen auch mögliche Umweltprobleme durch schädliche Lösungsmittel.
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Bevorzugt ist der Kern aus im Wesentlichen U-förmigen Blechen zusammengesetzt, die derart ineinander verschoben angeordnet sind, dass die Schenkel eines U-förmigen Blechs jeweils mit einem Schenkel eines anderen U-förmigen Blechs zumindest teilweise in Kontakt stehen, wobei die die Schenkel dieser beiden Bleche verbindenden Abschnitte einander gegenüberliegend positioniert sind. Mit anderen Worten ausgedrückt handelt es sich bei dem Kern bevorzugt um einen Kern des Typs „Unicore duo“ beziehungsweise um einen Kern des Typs „Tranco“. Die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung solcher Kerntypen mit einem magnetische Partikel enthaltenden Lack ist besonders bevorzugt, da hier die durch die beiden Luftspalte einer Blechwindung entstehenden Leerlaufverluste weitgehend kompensiert werden können. Ferner kann bei diesem Typ Kern die Fertigung besser automatisiert, insbesondere der Kern automatisiert zusammengesteckt werden. Damit entfällt viel Handarbeit und es können größere Serien kostengünstig gefertigt werden. Das manuelle Einlegen von „Büchern“, wie bei den Typen „Unicore single“, entfällt hier also.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform sind die Bleche des Kerns jeweils um die Kernöffnung herum verlaufend gebogen, wobei die Bleche jeweils an einer Stelle durch einen Luftspalt derart unterbrochen sind, dass an diesem Luftspalt die Blechenden einander gegenüberliegend ausgerichtet angeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der Kern ebenfalls bevorzugt als Kern des Typs „Unicore single“ ausgeführt. Auch bei einem Wickelkern des Typs „Unicore single“, bei dem nur ein Luftspalt pro Blechwindung vorhanden ist, steigert eine Imprägnierung den Wirkungsgrad des Transformators. Die fertigungstechnischen Vorteile dieses Kerntyps bleiben erhalten.
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Bevorzugt ist der Kern ein Wickelkern. Gerade bei einer Ausgestaltung als Wickelkern verhilft die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung mit dem die magnetischen Partikel aufweisenden Lack zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz des Transformators.
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Bevorzugt ist der Kern ein Stapelkern. Auch bei Stapelkernen führt die oben beschriebene Lackierung zu einer Reduzierung der Leerlaufverluste. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Imprägnierung beziehungsweise die Beschichtung auch auf Stapelkerne anwendbar, die über die Bleche hinweg einen gemeinsamen Luftspalt besitzen. Dieser wird mit dem Lack, der magnetische Partikel enthält, gefüllt und damit der Wirkungsgrad des Transformators erhöht.
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Ferner wird vorteilhaft ein Transformator mit einem erfindungsgemäßen Kern zur Verfügung gestellt.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators zur Verfügung gestellt, welcher eine Vielzahl gebogener Bleche umfasst, die allesamt zu einer um eine Kernöffnung umlaufenden, den Kern bildenden Struktur verbindbar sind, wobei sich jeweils die Blechenden eines jeden Blechs innerhalb des verbundenen Kerns gegenseitig nicht berühren. Folglich bilden die Bleche an ihren jeweiligen Blechenden innerhalb des verbundenen Kerns oder an einem Rand des verbundenen Kerns mindestens einen Luftspalt mit dem verbundenen Kern aus. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Hindurchführen der einzelnen Bleche durch mindestens eine Transformatorwicklung des Transformators. Verbinden der einzelnen Bleche zur Bereitstellung des verbundenen Kerns innerhalb des Transformators, sowie Imprägnieren oder Beschichten der Blechenden der Bleche mit einem Lack, welcher magnetische Partikel enthält, bis die Luftspalte an den Blechenden der Bleche mit dem Lack ausgefüllt sind.
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Ferner bevorzugt wird der Lack auf die Blechenden aufgespritzt. In einer solchen Ausführung lässt sich die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung des Kerns besonders einfach, schnell und kostengünstig durchführen.
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Des Weiteren bevorzugt erfolgt die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung des erfindungsgemäßen Kerns durch Aufspritzen des Lacks auf die Bleche des Kerns. Dazu wird bevorzugt eine Becherpistole benutzt.
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Bei einem Trockentrafo-Produkt, also bei einem sogenannten Trockentransformator, schützt weder ein Gehäuse noch eine selektive oder ganzheitliche Beschichtung mit Öl vor Korrosion. Die Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung des gesamten Kerns eines derartigen Transformators mit dem die magnetischen Partikel aufweisenden Lacks führt insbesondere hier auch dazu, dass ein Korrosionsschutz erreicht wird, da hier der Transformator und auch sein Kern der Witterung ausgesetzt sein können.
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In den Figuren sind verschiedene Kerne von Transformatoren beispielhaft gezeigt. Die Füllung der Luftspalte ist schematisch dargestellt. So zeigen:
- 1 einen Wickelkern vom Typ „Unicore single“;
- 2 einen Wickelkern vom Typ „Unicore duo“;
- 3 einen Stapelkern;
- 4 eine Wickelkern-Kombination Evans-Kern aus Unicore-Kernen;
- 5 Ein- und Mehrphasentransformatoren mit Wickelkernen;
- 6 eine schematische Darstellung der Luftspaltfüllung und Isolierung.
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1 zeigt eine Schrägansicht auf einen aufgeblätterten, nicht vollständig zusammengefügten erfindungsgemäßen Kern 3 vom Typ „Unicore single“ 7. Die Bleche 1 bilden den Kern 3, der sich um eine Kernöffnung 4 für eine Transformatorwicklung windet. Im zusammengefügten Zustand des Kerns 3 stoßen jeweils die beiden Blechenden 2 eines Blechs 1 mit einem geringen Luftspalt 5 aufeinander. Eine Füllung des Luftspalts 5 mit magnetischen Partikeln verringert den magnetischen Widerstand in der jeweiligen Blechwindung. Die Bleche 1 des Kerns 3 sind also jeweils um die Kernöffnung 4 herum verlaufend gebogen, wobei die Bleche 1 jeweils an einer Stelle durch einen Luftspalt 5 derart unterbrochen sind, dass an diesem Luftspalt 5 die Blechenden 2 einander gegenüberliegend ausgerichtet angeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Bleche 1 in diesem Ausführungsbeispiel C-förmig. Abermals mit anderen Worten beschrieben haben die Bleche 1 jeweils die Form einer an einer Stelle unterbrochenen Schlaufe.
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2 zeigt eine Schrägansicht auf einen auseinandergezogenen, erfindungsgemäßen Kern 3 vom Typ „Unicore duo“ 8. Die Bleche 1 bilden die Hälften des Kerns 3, die um die Kernöffnung 4 für eine Transformatorwicklung zusammengesteckt werden. Im zusammengefügten Zustand des Kerns 3 stoßen jeweils die Blechenden 2 eines Blechs 1 aus einer Hälfte mit einem geringen Luftspalt 5 auf die Blechenden 2 gegenüberliegender Bleche 1 aus der anderen Hälfte (die in 2 als Luftspalt 5 gekennzeichneten Bereiche bezeichnen diejenigen Bereiche der Kernhälften, in welchen sich die Luftspalte 5 nach einer Zusammenfügung der Kernhälften ergeben). Somit sind bei diesem Kerntyp im zusammengebauten Zustand jeweils zwei Luftpalte 5 bei einer Blechwindung vorhanden. Eine Füllung des Luftspalts 5 mit magnetischen Partikeln verringert den magnetischen Widerstand in der jeweiligen Blechwindung. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der Kern 3 in diesem Ausführungsbeispiel aus im Wesentlichen U-förmigen Blechen 1 zusammengesetzt, die im vollständig zusammengebauten Zustand des Kerns derart ineinander verschoben angeordnet sind, dass die Schenkel eines U-förmigen Blechs 1 jeweils mit einem Schenkel eines anderen U-förmigen Blechs 1 zumindest teilweise in Kontakt stehen, wobei die die Schenkel dieser beiden Bleche 1 verbindenden Abschnitte einander gegenüberliegend positioniert sind.
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In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Stapelkern 9 dargestellt. Der aus zwei Hälften bestehende Kern 3 bildet eine Kernöffnung 4 für eine Transformatorwicklung. Der Kern 3 besitzt eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Blechen 1, deren Blechenden 2 jeweils auf die Blechenden 2 des anderen Teils des Kerns 3 treffen. Damit bilden sich auch bei einem zusammengesetzten Kern 3 jeweils zwei Luftspalte 5 aus, die mit magnetischen Partikeln gefüllt werden können (die in 5 als Luftspalt 5 gekennzeichneten Bereiche bezeichnen diejenigen Bereiche der Kernhälften, in welchen sich die Luftspalte 5 nach einer Zusammenfügung der Kernhälften ergeben). Auch bei diesem Kerntyp wird mit der beschriebenen Imprägnierung beziehungsweise Beschichtung der magnetische Widerstand des Transformators verringert und der Wirkungsgrad erhöht.
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4 zeigt eine Schrägansicht auf eine zusammengesetzte Wickelkern-Kombination, welche auch als „Evans-Core“, also als „Evans-Kern“ 10 bezeichnet wird. Der Evans-Kern umfasst mehrere Unicore-Kerne. Die beiden inneren Wickelkerne besitzen die Kernöffnungen 4 für Transformatorwicklungen. Der äußere Wickelkern 11 ist um die beiden inneren Wickelkerne 12 geschlungen. Alle Wickelkerne bei dieser Kern-Kombination bestehen aus einem der vorgenannten Kerntypen, deren Wirkungsgrad durch die Imprägnierung mit magnetischen Partikeln erhöht wird.
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In 5 sind verschiedene Kombinationen von Kernen 3 gezeigt. In der ersten Darstellung befindet sich auf dem Kern 3 eine Transformatorwicklung 13. In der zweiten Darstellung umschlingt die Transformatorwicklung 13 zwei Kerne 3. In der dritten Darstellung ist ein Drei-Phasen-Transformator mit vier Kernen 3 gezeigt, wobei jede Transformatorwicklung 13 jeweils zwei Kerne 3 umschlingt.Bei allen Kombinationen können die Kerne 3 entsprechend der hier beschriebenen Ausführung imprägniert sein und damit das Einsatzgebiet des jeweiligen Transformators erweitert werden.
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In 6 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung durch den in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Kern 3. Insbesondere ist in 6 die Luftspaltfüllung dieses Kerns 3 gezeigt. Die Bleche 1 stoßen mit ihren Blechenden 2 aneinander, wobei sich jeweils ein Luftspalt 5 bildet. Diese Luftspalte 5 werden mit dem Lack 6 gefüllt, der magnetische Partikel enthält. Die gefüllten Luftspalte 5 besitzen so einen geringeren magnetischen Widerstand und damit verringern sich auch die Leerlaufverluste. Ferner ist die äußere Seite des Kerns 3 mit dem Lack 6 imprägniert (nicht dargestellt in 6) und schützt damit den Kern 3 gegen Witterungseinflüsse. Ein solcher Kern 3 ist damit auch insbesondere bei Trockentrafo-Produkten vorteilhaft einsetzbar.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blech
- 2
- Blechende
- 3
- Kern
- 4
- Kernöffnung
- 5
- Luftspalt
- 6
- Lack
- 7
- Unicore single
- 8
- Unicore duo
- 9
- Stapelkern
- 10
- Evans-Kern
- 11
- äußerer Wickelkern
- 12
- innerer Wickelkern
- 13
- Transformatorwicklung
