-
Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für ein induktives Gerät mit einer Anzahl von in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Wicklungsabschnitten, die unter Ausbildung einer Reihenschaltung elektrisch miteinander verbunden sind.
-
Eine solche Wicklungsanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 226 097 B3 bekannt. Die dort offenbarte Wicklungsanordnung bildet eine so genannte Scheibenwicklung aus. Dazu sind Wicklungsabschnitte scheibenförmig übereinander in radialer Richtung gewickelt, wobei die sich so ergebenden Wicklungsscheiben in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Durch die Reihenschaltung solcher Wicklungsabschnitte oder auch Spulen kann die Windungszahl der gesamten Wicklungsanordnung erhöht werden.
-
Weitere Wicklungsanordnungen dieser Art sind in der
WO 2017/121569 A1 , der
WO 2017/121568 A1 oder in der
EP 3 144 944 beschrieben. Die zur Ausbildung der Wicklungsabschnitte verwendeten Leiter sind in der Regel Flachleiter, die mit ihrer Flachseite aneinander anliegend übereinander gewickelt sind. Dabei kommen zweckmäßige Isolierabschnitte zwischen den Wicklungslagen zum Einsatz, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
-
An den Kanten der Windungsabschnitte können sehr hohe elektrische Feldstärken entstehen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der hohe Feldstärken insbesondere an den Kanten der Wicklungsabschnitte vermieden sind.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch wenigstens einen Feldsteuerungsmittel, das eine Ohmsche Restleitfähigkeit aufweist und das mit jedem Wicklungsabschnitt elektrisch verbunden ist.
-
Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung, beispielsweise eine Oberspannungswicklung für einen Transformator oder für eine Drossel, weist eine Vielzahl von in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Wicklungsabschnitten auf. Jeder Wicklungsabschnitt verfügt über eine innerste Wicklungslage, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Hohlzylinder begrenzt. Insbesondere an den Kanten dieser Wicklungslage treten hohe elektrische Feldstärken auf. Daher ist bevorzugt die innerste Wicklungslage mit einem Feldsteuerungszylinder verbunden. Auch die in Reihe zum ersten Wicklungsabschnitt geschalteten Wicklungsabschnitte sind elektrisch mit dem Feldsteuerungsmittel verbunden. Dabei ist einer das Feldsteuerungsmittel zweckmäßigerweise der innersten Wicklungslage eines jeden Wicklungsabschnittes zugewandt.
-
Vorteilhafterweise erstreckt sich das Feldsteuerungsmittel in axialer Richtung entlang der Wicklungsabschnitte. Bevorzugt ist das Felsteuerungsmittel formkomplementär zu einer Einhüllenden der Wicklungsabschnitte ausgebildet.
-
Die Wicklungsabschnitte weisen beim Betrieb der Wicklungsanordnung unterschiedliche elektrische Potenziale auf. Um einen Kurzschluss zwischen den Wicklungsabschnitten zu vermeiden, weist das Feldsteuerungsmittel lediglich eine Restleitfähigkeit auf. Unter Restleitfähigkeit ist zu verstehen, dass das Feldsteuerungsmittel einen ausreichend hohen Ohmschen Widerstand aufweist, um einen Kurzschluss oder besser gesagt zu hohe Verlustströme zwischen den Wicklungsabschnitten zu vermeiden, der jedoch gleichzeitig klein genug ist, um eine gewünschte Feldabstufung beispielsweise an den Kanten der innersten Lage eines Wicklungsabschnittes herbeizuführen. Die Feldsteuerung im Rahmen der Erfindung soll auch bei kurzzeitig auftretenden Spannungsspitzen wirksam sein, die beispielsweise bei Blitzstößen oder Schaltvorgängen auftreten. Der Ohmsche Widerstand des Feldsteuermittels darf daher nicht zu groß sein, um Umladungsvorgänge zu erlauben, die zur sicheren Steuerung dieser Spannungsspitzen erforderlich sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt die Restleitfähigkeit jedes Feldsteuerungsmittels zwischen 1 × 10-30 S/m und 1 × 106 S/m
-
Jedes Feldsteuerungsmittel ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass er eine hohe mechanische Stabilität und Steifigkeit sowie eine hohe mechanische Rissfestigkeit aufweist. Das restleitfähige Feldsteuerungsmittel bewirkt eine Glättung der Feldüberhöhungen an den Kanten der Windungsabschnitte. Dabei nimmt das Feldsteuerungsmittel im Bereich der Wicklungsabschnitte jeweils das Potenzial der anliegenden Windungsabschnitte an. Die Spannungsdifferenz zwischen den Windungsabschnitten wird im Zwischenraum zwischen den Windungsabschnitten gleichmäßig abgebaut.
-
Das induktive Gerät ist im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine Drossel oder ein Transformator. Der Transformator ist bevorzugt als Trockentransformator ausgeführt, wobei die Wicklungsabschnitte und jeder Feldsteuerzylinder in einem festen Isolierstoff, z.B. Harz, eingebettet sind.
-
Zwischen dem Feldsteuerungsmittel und den Wicklungsabschnitten treten somit keine kritischen Feldstärken auf. Bei einem Trockentransformator sind hohe elektrische Feldstärken im Isolierstoff vermieden. Durch jedes Feldsteuerungsmittel entstehen grundsätzlich restleitfähige Verbindungen zwischen den Wicklungsabschnitten mit kleinen Strömen zwischen den Wicklungsabschnitten und Ohmschen Verlusten im Gefolge. Wird jedoch die Leitfähigkeit des Feldsteuerungszylinders hinreichend niedrig gewählt, sind diese Verluste vernachlässigbar.
-
Weiterhin stellt jedes Feldsteuerungsmittel aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften gleichzeitig eine Armierung für die Wicklungsanordnung dar und erhöht die Rissfestigkeit der gesamten Wicklungsanordnung, insbesondere wenn diese in einem festen Isolierstoff eingebettet ist. Risse entstehen in der Regel an den äußeren Kanten der Wicklungsanordnung. Durch die Armierungswicklung am Feldsteuerungsmittel werden die Risse jedoch gestoppt und ein Ausbreiten in elektrisch stark beanspruchte Abschnitte verhindert. Durch geeignete Wahl des Materials des Feldsteuerungsmittels lässt sich eine gute Haftung des Isolierstoffs auf dem Feldsteuerungsmittel sicherstellen, wodurch einer Ablösung des Isolierstoffs oder der Vergussmasse entgegengewirkt werden kann. Durch die Erfindung ist somit eine Wicklungsanordnung geschaffen, die signifikant weniger mechanische und elektrische Schwachstellen aufweist. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Wicklungsanordnung bei einem Einsatz in einem Transformator oder eine Drossel erhöht. Darüber hinaus ist es möglich, geringere Spannungsabstände vorzusehen, so dass die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung kompakter und kostengünstiger wird.
-
Zweckmäßigerweise weist jedes Feldsteuerungsmittel eine nichtlineare Restleitfähigkeit auf. Ein nichtlineares Ohmsches Verhalten ist beispielsweise von Ableitern bekannt, die aufeinander gestapelte Zinkoxidscheiben aufweisen. Zinkoxid verfügt über eine nichtlineare Leitfähigkeit in dem Sinne, dass bei niedrigeren Spannungen Zinkoxid einen hohen Widerstand aufweist, wohingegen bei höheren Spannungen es eine hohe Leitfähigkeit annimmt. Durch die Verwendung eines Feldsteuerungsmittels mit einer nichtlinearen Restleitfähigkeit können die Verluste noch weiter herabgesetzt werden, wobei gleichzeitig eine bessere Feldabsteuerung bei hohen Feldstärken erzielbar ist.
-
Zweckmäßigerweise weist jedes Feldsteuerungsmittel einen elektrisch isolierenden Matrixwerkstoff und einen Füllstoff auf, der in dem Matrixwerkstoff verteilt angeordnet ist. Auf diese Art und Weise können dem Feldsteuerungsmittel die gewünschten Eigenschaften durch die Auswahl eines zweckmäßigen Füllstoffs und dessen Konzentration aufgeprägt werden.
-
Zweckmäßigerweise ist der Füllstoff aus folgender Gruppe ausgewählt: Ruß, Graphit, Silicium, Carbid und Zinkoxid. Diese Auszählung ist keinesfalls abschließend zu verstehen. Wie bereits erwähnt wurde, weist Graphit eine lineare Leitfähigkeitscharakteristik auf. Zinkoxid hingegen ist ein nichtlinearer Leiter.
-
Zweckmäßigerweise umschließt der Matrixwerkstoff ein Struktur gebendes Trägermaterial. Das Feldsteuermittel weist daher ein Trägermaterial auf, das in einem mit Füllstoff versehenen Matrixwerkstoff eingebettet ist. Als Trägermaterial kommt im Rahmen der Erfindung ein Glasfasergewebe, ein Kunststoffgewebe oder eine Kunststofffolie in Betracht. Der Matrixwerkstoff ist beispielsweise ein Harz, insbesondere Epoxidharz, das im Bereich der Trockentransformatoren bestens bekannt ist. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn Matrixwerkstoff ein nicht ausgehärtetes Harz ist und ein so genanntes Prepreg ausbildet. Solche Prepregs verfügen über eine Adhäsionskraft, eine Eigenschaft, die bei der Herstellung der Wicklungsanordnung vorteilhaft genutzt werden kann. Ein Prepreg erleichtert ferner im Vergleich zu einem bereits vollständig ausgehärteten Material die Formgebung. Das Prepreg wird erst im Laufe des Herstellungsprozesses der Wicklungsanordnung durch Erwärmen vollständig ausgehärtet.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung weist jeder Wicklungsabschnitt einen Leiter auf, der von seinem inneren Ende zu einem äußeren Ende des jeweiligen Wicklungsabschnittes gewickelt ist und dabei den Wicklungsabschnitt in radialer Richtung vergrößert, wobei die innere Wicklungslage eines jeden Wicklungsabschnittes mit einem inneren Feldsteuerungszylinder und jede radial außen liegende Wicklungslage mit einem äußeren Feldsteuerungszylinder verbunden ist. Wie bereits ausgeführt wurde, ermöglichen die beiden Feldsteuerungszylinder dass an den Ecken, also an den Kanten der ersten Wicklungslage und den Kanten der äußersten Wicklungslage, hohe Feldstärken vermieden sind.
-
Vorteilhafterweise ist jedes Feldsteuermittel ein zylinderförmiger Feldsteuerungszylinder. Der Feldsteuerungszylinder erstreckt sich in axialer Richtung an den in dieser Richtung nebeneinander angeordneten Wicklungsabschnitten. Dabei ist er den Wicklungsabschnitten zugewandt, so dass ein einfacher elektrischer Kontakt ermöglicht ist. Bevorzugt ist jeder Feldsteuerungszylinder kreiszylindrisch ausgestaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind ein innerer Feldsteuerungszylinder und ein äußerer Feldsteuerungszylinder vorgesehen, die jeweils mit jedem Wicklungsabschnitt elektrisch verbunden sind. Gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung sind zwei Feldsteuerungszylinder vorgesehen, die z.B. an beiden Seiten der Wicklungsabschnitte angeordnet sind. Somit können an allen Kanten des jeweiligen Wicklungsabschnittes hohe Feldstärken vermieden werden.
-
Abweichend davon ist bei einer weiteren Variante der Erfindung die innerste Wicklungslage jedes Wicklungsabschnittes über einen Kontaktleiter mit dem Feldsteuerungszylinder verbunden. Entsprechendes gilt für einen ggf. vorhandenen zweiten Feldsteuerungszylinder.
-
Zweckmäßigerweise überragt jeder Feldsteuerungszylinder die Anzahl der übereinander angeordneten Wicklungsabschnitte in axialer Richtung einer oder an beiden Seiten, wobei das oder die äußeren Enden jedes Feldsteuerungszylinders zu den Wicklungsabschnitten hin abgerundet sind. Durch die Abrundung an den Seiten der Feldsteuerungszylinder, mit dem diese die Wicklungsabschnitte überragen, kommt es zu einer geometrischen Feldabsteuerung und dem Ausbleiben hoher Feldstärken an den Kanten der Feldsteuerungszylinder selbst.
-
Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, keine separaten Feldsteuerungszylinder einzusetzen, sondern diese an ihren beiden Stirnseite so miteinander zu verbinden, dass sich ebenfalls eine geometrische Feldsteuerung einstellt. In diesem Falle wären Öffnungen zum Herausführen von Anschlussleitungen aus den Feldsteuerungszylindern vorzusehen.
-
Zweckmäßigerweise weist der Feldsteuerungszylinder kleine Öffnungen auf. Die kleinen Öffnungen erleichtern beziehungsweise ermöglichen den Verguss der Wicklungsanordnung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung sind die Wicklungsabschnitte und jeder Feldsteuerungszylinder in einem festen Isolierstoff eingebettet. Ein solcher Isolierstoff ist beispielsweise ein zweckmäßigerweiser Harz, insbesondere ein zweckmäßiger Epoxidharz. Epoxidharze sind dem Fachmann bestens bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren Eigenschaften nicht näher eingegangen zu werden braucht.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass der Feldsteuerungszylinder direkt mit der ersten beziehungsweise äußeren Wicklungslage verbunden ist, also wenn diese an der besagten Wicklungslage leitend anliegt. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Feldsteuerungszylinder als so genanntes Prepreg ausgestaltet ist. Das Prepreg verklebt vor dem späteren Aushärten mit der anliegenden Wicklungslage, wodurch eine saubere elektrische und mechanische Kontaktierung erreicht wird.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile verweisen und wobei
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung,
- 2 eine Detailansicht der Wicklungsanordnung gemäß 1 und
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Wicklungsanordnung in einer perspektivischen Darstellung verdeutlichen.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 1, die in einer geschnittenen Seitenansicht schematisch dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die Wicklungsanordnung 1 eine Reihe von Wicklungsabschnitten 2a, 2b, 2c ... 2n aufweist, die in einer axialen Richtung 3 neben-, also bei einer stehenden Wicklungsanordnung, übereinander angeordnet sind. Die Wicklungslagen liegen an einem inneren Feldsteuerungszylinder 4 sowie einem äußeren Feldsteuerungszylinder 5 elektrisch leitend an, wobei die Feldsteuerungszylinder 4 und 5 sowie alle Wicklungsabschnitte 2a, 2b, 2c ... 2n in einem festen Isolierstoff 6 eingebettet sind. Als Isolierstoff 6 dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Epoxidharz. Die in schematischer Schnittansicht dargestellte Wicklungsanordnung 1 ist umfänglich geschlossen und bildet einen Hohlzylinder aus, in dem eine ebenfalls zylindrische nicht figürlich dargestellte Unterspannungswicklung konzentrisch angeordnet werden kann. Durch die beiden Wicklungen oder Wicklungsanordnungen erstreckt sich bei einem Einsatz der Wicklungsanordnung 1, die auch als Oberspannungswicklung bezeichnet werden kann, ein Schenkel eines geschlossenen Eisenkerns. Die Wicklungsanordnung 1 ist für Spannungen im Bereich von 5 bis 50 kV eingerichtet. Durch die wechselnde Polarität kommt es im Kern zu einer kontinuierlichen Änderung des magnetischen Flusses und somit zu einer Spannungsinduktion in der Unterspannungswicklung.
-
In 1 ist nicht erkennbar, dass jeder Wicklungsabschnitt 2a, 2b, 2c ... 2n aus einem bandförmigen Leiter zusammengesetzt ist, wobei der Leiter von dem inneren Feldsteuerungszylinder 4 zu dem äußeren Feldsteuerungszylinder 5 gewickelt ist und dabei den Wicklungsabschnitt 2a, 2b, 2c ... 2n in radialer Richtung 7 vergrößert. Bei der Fertigung muss natürlich der Leiter auf den inneren Feldsteuerungszylinder 4 gewickelt werden. Anschließend wird äußere Feldsteuerungszylinder 5 auf die Wicklung aufgebracht. Die Wicklungslagen des Leiters sind gegeneinander isoliert. Dies erfolgt beispielsweise durch Einlegen einer nichtleitenden Folie oder durch die Verwendung eines Lackes, mit dem der Leiter außen beschichtet ist. Die äußere Wicklungslage des Wicklungsabschnittes 2a ist mit der innersten Wicklungslage des Wicklungsabschnittes 2b durch ein nicht gezeichnetes Leiterstück verbunden, so dass die Wicklungsabschnitte 2a und 2b eine Reihenschaltung ausbilden. Die restlichen Wicklungsabschnitte 2b, 2c, ... 2n sind entsprechend elektrisch miteinander verbunden. Das Prinzip einer solchen Scheibenwicklung ist jedoch dem Fachmann länger bekannt, so dass auf eine ausführlichere Darstellung hier verzichtet werden kann.
-
2 zeigt den außen liegenden Wicklungsabschnitt 2a genauer. Insbesondere ist erkennbar, dass der innere Feldsteuerungszylinder 4 mit der ersten Wicklungslage des Wicklungsabschnittes 2a mechanisch und elektrisch verbunden ist. Der äußere Feldsteuerungszylinder 5 ist mit der äußersten Wicklungslage des Wicklungsabschnittes 2a mechanisch und elektrisch verbunden. Wieder sind die einzelnen Wicklungslagen nicht zeichnerisch dargestellt. Der innere und äußere Feldsteuerungszylinder 4, 5 verfügen über eine nichtlineare Restleitfähigkeit, die so niedrig ist, dass der Strom, der durch den Feldsteuerungszylinder 4 zwischen den beiden in 2 erkennbaren Wicklungsabschnitten 2a und 2b fließt, auf einen Wert begrenzt wird, der nicht zu einer unzulässigen Erwärmung führt.
-
Untersuchungen haben ergeben, dass insbesondere an den Kanten 8, 9, 10 und 11 des jeweiligen Wicklungsabschnittes 2a, 2b, 2c ... 2n hohe elektrische Feldstärken entstehen. Die beiden Feldsteuerungszylinder 4 und 5 dienen u.a. dazu, diese hohen Feldstärken an den Kanten oder Ecken 8, 9, und 10 zu unterdrücken. Dies wird durch die nichtlineare Restleitfähigkeit der Feldsteuerungszylinder bewirkt, indem sie eine lineare oder annähernd lineare Potentialverteilung zwischen den Wicklungsabschnitten und damit eine Homogenisierung des Feldes breitstellen.
-
Die Feldsteuerungszylinder 4, 5 überragen die Anzahl der Wicklungsabschnitte 2a, 2b, 2c ... 2n beidseitig in axialer Richtung, wobei ihr die Wicklungsabschnitte 2a, 2b, 2c ... 2n überragendes Ende 12 zu den Wicklungsabschnitten 2a und 2n hin abgerundet ist. Durch diese Bördelung wird eine geometrische Feldsteuerung herbeigeführt, so dass hohe Feldstärken an den Enden 12 ebenfalls vermieden sind.
-
Jeder Feldsteuerungszylinder 4, 5 verfügt über ein Glasfasergewebe als Trägermaterial, das in einem bei der Herstellung der Wicklungsanordnung nicht vollständig ausgehärteten Harz als Matrixwerkstoff eingebettet ist. Bei der Herstellung dieses Prepregs wird der Matrixwerkstoff auf das Trägermaterial aufgetragen. Dabei dient ein zweckmäßiger Füllstoff, in diesem Falle Zinkoxid, zum Erzeugen der gewünschten nichtlinearen Restleitfähigkeit. Die Feldsteuerungszylinder 4, 5 werden bei der Herstellung an die beiden äußeren Wicklungslagen der Wicklungsabschnitte angelegt und mit diesen verklebt. Die Wicklungsabschnitte 2a, 2b, 2c ... 2n und die Feldsteuerungszylinder 4, 5 werden und anschließend in Epoxidharz vergossen und unter Wärmeeinwirkung ausgehärtet. Durch die Feldsteuerungszylinder 4, 5 wird nicht nur eine Feldabsteuerung bewirkt. Die Feldsteuerungszylinder 4, 5 verbessern auch die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 1. Sie bilden mit anderen Worten eine Armierung. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung 1 eine höhere Rissfestigkeit auf.
-
Bei der Fertigung werden auf die Wicklungsschablonen zuerst eine oder mehrere Lagen des Prepregs aufgebracht. Dann wird die Wicklung selbst aufgewickelt und anschließend wird bzw. werden eine oder mehrere Lagen des Prepregs als äußerer Feldsteuerungszylinder aufgebracht. Die Rundung an den Enden kann durch Umbördeln oder separate Endkappen erzeugt werden. Nach der Wicklung wird die Wicklungsanordnung einem Wärmeprozess zur Aushärtung des Prepregs unterzogen. Das Prepreg bildet dann zwei Absteuerungszylinder 4, 5 mit den beschriebenen Eigenschaften.
-
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 1, in einer perspektivischen Teildarstellung. Es ist erkennbar, dass die Wicklungsanordnung 1 einen Hohlzylinder begrenzt. Ferner sind in den Wicklungsabschnitten 2a, 2b, 2c ... 2n Wicklungslagen 13 erkennbar, die von einem bandförmigen Flachleiter als Wicklungsleiter gebildet werden. Wie in den 1 und 2 sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungsabschnitten 2a, 2b, 2c ... 2n aus Gründen der Übersicht nicht gezeigt. Auch ist in 3 die Wicklungsanordnung noch nicht in Harz eingebettet. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich ein einziger Wicklungszylinder 4 vorgesehen, der an der ersten Wicklungslage 13 des jeweiligen Wicklungsabschnittes 2 anliegt.
-
Das Vorsehen von lediglich einem inneren Feldsteuerungszylinder 4 kann bei einigen Anwendungen ausreichend sein, wenn die elektrischen Felder an den äußeren Kanten 10 und 11 weniger hoch sind als an den Kanten Ecken 8 und 9.
-
Im Übrigen gelten die oben gemachten Ausführungen im Zusammenhang mit 3 entsprechend.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015226097 B3 [0002]
- WO 2017/121569 A1 [0003]
- WO 2017/121568 A1 [0003]
- EP 3144944 [0003]
