DE102020201100A1

DE102020201100A1 - Spannungswandler

Info

Publication number: DE102020201100A1
Application number: DE102020201100.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Knab
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: HSP HOCHSPANNUNGSGERAETE GMBH, DE
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-05
Also published as: EP4078631A1; CN115151986A; JP2023514507A; JP7439272B2; KR20220129075A; WO2021151614A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler (1). Der Spannungswandler (1) umfasst wenigstens einen Magnetkern (9) mit einem Wicklungsschenkel (12), um den herum Wicklungen des Spannungswandlers (1) angeordnet sind, einem von dem Wicklungsschenkel (12) beabstandeten Basisschenkel (13) und zwei Seitenschenkeln (14), die jeweils den Wicklungsschenkel (12) und den Basisschenkel (13) miteinander verbinden. Ferner umfasst der Spannungswandler (1) einen Deckel (3), der für jeden Magnetkern (9) eine Positionierfassung (21) aufweist, in der der Magnetkern (9) an dem Deckel (3) positioniert ist, und für jeden Magnetkern (9) eine Halterung (11) mit zwei voneinander beabstandeten Rahmenelementen (23), die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Magnetkerns (9) jeweils entlang der beiden Seitenschenkel (14) und des Basisschenkels (13) verlaufen und jeweils mit dem Deckel (3) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Spannungswandler für eine Hochspannungsschaltanlage. Mit einem derartigen Spannungswandler werden hohe Wechselspannungen proportional und phasengenau zu Mess-, Schutz- oder Steuerungszwecken auf niedrigere Werte transformiert. Ein induktiver Spannungswandler weist dazu in der Regel wenigstens einen in einem metallischen Kapselungsgehäuse angeordneten Magnetkern auf, um den herum eine Primärwicklung und (wenigstens) eine Sekundärwicklung verlaufen. Die korrekte Anordnung und ausreichende Fixierung der Aktivteile (Magnetkerne mit Wicklungen) des Spannungswandlers in dem Kapselungsgehäuse sind dabei aus Gründen der Ausprägung des elektrischen Hochspannungsfeldes sehr wichtig, weil eine inkorrekte Anordnung oder ungenügende Fixierung der Aktivteile zu Beschädigungen bis hin zu Totalausfällen des Spannungswandlers führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungswandler anzugeben, der insbesondere hinsichtlich der Positionierbarkeit seiner Aktivteile und der Anzahl der Bauteile verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler umfasst
- wenigstens einen Magnetkern mit einem Wicklungsschenkel, um den herum Wicklungen des Spannungswandlers angeordnet sind, einem von dem Wicklungsschenkel beabstandeten Basisschenkel und zwei Seitenschenkeln, die jeweils den Wicklungsschenkel und den Basisschenkel miteinander verbinden,

- einen Deckel, der für jeden Magnetkern eine Positionierfassung aufweist, in der der Magnetkern an dem Deckel positioniert ist, und
- für jeden Magnetkern eine Halterung mit zwei voneinander beabstandeten Rahmenelementen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Magnetkerns jeweils entlang der beiden Seitenschenkel und des Basisschenkels verlaufen und jeweils mit dem Deckel verbunden sind.

Der Deckel verschließt beispielsweise ein Kapselungsgehäuse des Spannungswandlers. Die Ausformung des Deckels mit einer Positionierfassung für jeden Magnetkern ermöglicht eine einfache und präzise Positionierung jedes Magnetkerns ohne Positionierlehren oder ähnliche Hilfsmittel. Die Halterung eines Magnetkerns mit zwei Rahmenelementen ermöglicht eine mechanische Fixierung des an einer Positionierfassung gelagerten Magnetkerns zwischen den beiden Rahmenelementen. Durch geeignete, unten genannte Ausgestaltungen der Halterung kann die Halterung ferner den Magnetkern mit der Halterung verspannen und elektrische Felder ausprägen. Die Erfindung vereinfacht damit die Montage des Spannungswandlers und kann die Anzahl der Bauteile des Spannungswandlers zur Fixierung und Verspannung der Aktivteile und zur Ausbildung elektrischer Felder auf eine gewünschte Art reduzieren.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Halterung jedes Magnetkerns Spannelemente auf, durch die der Magnetkern mit der Halterung verspannt ist. Beispielsweise umfassen die Spannelemente der Halterung jedes Magnetkerns zwei Klemmelemente und eine die beiden Klemmelemente verbindende Spannstange, jedes Klemmelement ist formschlüssig zwischen benachbarten Enden der beiden Rahmenelemente der Halterung angeordnet und die Spannstange verläuft entlang des Wicklungsschenkels des Magnetkerns. Dadurch ermöglicht die Halterung eines Magnetkerns die Verspannung des Magnetkerns mit der Halterung durch formschlüssig mit den beiden Rahmenelementen verbundene Klemmelemente, die an den Magnetkern gedrückt werden.
Beispielsweise ist jedes Klemmelement der Halterung eines Magnetkerns an einem Übergangsbereich zwischen einem Seitenschenkel und dem Wicklungsschenkel des Magnetkerns angeordnet. Dabei weist der Übergangsbereich beispielsweise eine gebogene Oberfläche auf, an der das Klemmelement anliegt. Dadurch können die Klemmelemente zum Verspannen des Magnetkerns in einfacher Weise an die gebogene Oberfläche des Übergangsbereichs gedrückt werden, indem sie an der Spannstange entlang dieser Oberfläche verschoben werden. Beispielsweise weisen als Schnittbandkerne ausgeführte Magnetkerne Übergangsbereiche zwischen den Seitenschenkeln und dem Wicklungsschenkel mit gebogenen Oberflächen auf und eignen sich daher besonders für diese Ausgestaltung der Erfindung.
Die Spannstange der Halterung jedes Magnetkerns weist beispielsweise wenigstens einen durch ein Klemmelement geführten Endbereich mit einem Gewinde auf, auf das ein Schraubelement geschraubt ist, das das Klemmelement an den Magnetkern drückt. Dadurch kann ein Magnetkern mit seiner Halterung in einfacher Weise durch das Anziehen wenigstens eines Schraubelements verspannt werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jedes Rahmenelement der Halterung jedes Magnetkerns eine Schirmung mit einer Oberfläche auf, die den um den Magnetkern herum angeordneten Wicklungen zugewandt ist. Die Schirmung verläuft beispielsweise auf beiden Seiten der um den Magnetkern herum angeordneten Wicklungen teilumfänglich um den Wicklungsschenkel des Magnetkerns und/oder entlang beider Seitenschenkel und/oder entlang des Basisschenkels. Bei diesen Ausgestaltungen der Erfindung umfasst die Halterung jedes Magnetkerns also an den Rahmenelementen angeordnete Schirmungen zum Abschirmen elektrischer Felder, beispielsweise um hohe Feldstärken an Kanten der Rahmenelemente zu vermeiden. Durch die in die Rahmenelemente integrierten Schirmungen können separate beziehungsweise zusätzliche Schirmungen vorteilhaft entfallen oder reduziert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an der Positionierfassung jedes Magnetkerns der Basisschenkel des Magnetkerns formschlüssig gelagert. Mit anderen Worten wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung der Basisschenkel jedes Magnetkerns in einer Positionierfassung des Deckels gelagert. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine platzsparende Ausführung des Spannungswandlers, bei der die Wicklungen des Spannungswandlers im Wesentlichen in zu dem Deckel orthogonalen Ebenen verlaufen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Rahmenelement lösbar, beispielsweise durch wenigstens eine Schraubverbindung, mit dem Deckel verbunden. Dadurch können die Rahmenelemente der Halterung eines Magnetkerns in einfacher Weise nach der Positionierung des Magnetkerns in einer Positionierfassung an dem Deckel montiert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Spannungswandler drei Magnetkerne auf. Beispielsweise sind die Wicklungsschenkel der Magnetkerne sternförmig in einem Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere eine zweckmäßige Ausführung des Spannungswandlers für dreiphasige Wechselspannungen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Spannungswandlers,
2 eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Spannungswandlers im Bereich einer Positionierfassung,
3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Spannungswandlers.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 (1) zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Spannungswandlers 1. Der Spannungswandler 1 ist für einphasige Wechselspannungen ausgelegt. Der Spannungswandler 1 umfasst einen Deckel 3, eine Primärwicklung 5, eine Sekundärwicklung, eine Elektrode 7, einen Magnetkern 9 und eine Halterung 11 für den Magnetkern 9.
Der Deckel 3 verschließt ein nicht dargestelltes Kapselungsgehäuse, in dem die Primärwicklung 5, die Sekundärwicklung, die Elektrode 7, der Magnetkern 9 und die Halterung 11 angeordnet sind.
Der Magnetkern 9 umfasst einen Wicklungsschenkel 12, um den herum die Primärwicklung 5 und die Sekundärwicklung angeordnet sind, einen von dem Wicklungsschenkel 12 beabstandeten und parallel zu dem Wicklungsschenkel 12 verlaufenden Basisschenkel 13 und zwei Seitenschenkel 14, die jeweils den Wicklungsschenkel 12 und den Basisschenkel 13 miteinander verbinden und senkrecht zu dem Wicklungsschenkel 12 und dem Basisschenkel 13 verlaufen. Der Magnetkern 9 ist als ein Schnittbandkern ausgebildet. Der Übergangsbereich 16 zwischen einem Seitenschenkel 14 und dem Wicklungsschenkel 12 und der Übergangsbereich 17 zwischen einem Seitenschenkel 14 und dem Basisschenkel 13 weisen jeweils eine gebogene außenliegende Oberfläche 19 auf. Die Primärwicklung 5 verläuft um die Sekundärwicklung herum, so dass die Sekundärwicklung in 1 nicht sichtbar ist. Ein Ende der Primärwicklung 5 ist mit der Elektrode 7 verbunden, die um einen Mittelabschnitt der Primärwicklung 5 herum angeordnet ist.
Der Deckel 3 weist eine Positionierfassung 21 auf, die dazu eingerichtet ist, den Magnetkern 9 an dem Deckel 3 zu positionieren. An der Positionierfassung 21 ist der Basisschenkel 13 des Magnetkerns 9 formschlüssig gelagert.
2 (2) zeigt einen Ausschnitt des in 1 gezeigten Spannungswandlers 1 im Bereich der Positionierfassung 21 in einer perspektivischen Darstellung.
Die Halterung 11 umfasst zwei Rahmenelemente 23, zwei Klemmelemente 25, eine Spannstange 27 und zwei Schraubelemente 29.
Die Rahmenelemente 23 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Magnetkerns 9 angeordnet und verlaufen jeweils entlang der beiden Seitenschenkel 14 und des Basisschenkels 13. Die Rahmenelemente 23 haben damit jeweils eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt. Jedes Rahmenelement 23 ist durch eine Schraubverbindung 31 lösbar mit dem Deckel 3 verbunden. Ferner weist jedes Rahmenelement 23 eine Schirmung 33 mit einer gewölbten Oberfläche auf, die den um den Magnetkern 9 herum angeordneten Wicklungen (Primärwicklung 5, Sekundärwicklung) zugewandt ist. Die Schirmung 33 verläuft auf beiden Seiten der Wicklungen teilumfänglich um den Wicklungsschenkel 12 sowie entlang beider Seitenschenkel 14 und des Basisschenkels 13, wobei die Schirmungen 33 der beiden Rahmenelemente 23 einander nicht berühren. Insbesondere sind die Schirmungen 33 der beiden Rahmenelemente 23 im Bereich des Wicklungsschenkels 12 auf beiden Seiten der Wicklungen durch jeweils einen Spalt 35 voneinander beabstandet, der eine elektrische Verbindung der Rahmenelemente 23 in dem Kernfenster im elektromagnetischen Nahfeld der Wicklungen verhindert.
Jedes Klemmelement 25 ist formschlüssig zwischen benachbarten Enden der beiden Rahmenelemente 23 an einem Übergangsbereich 16 zwischen einem Seitenschenkel 14 und dem Wicklungsschenkel 12 des Magnetkerns 9 angeordnet. Die Spannstange 27 verbindet die beiden Klemmelemente 25 miteinander und verläuft entlang des Wicklungsschenkels 12. Jeder Endbereich der Spannstange 27 ist durch ein Klemmelement 33 geführt und weist ein Gewinde auf, auf das ein Schraubelement 29 geschraubt ist, das das Klemmelement 25 an die gebogene Oberfläche 19 des Übergangsbereichs 16 zwischen einem Seitenschenkel 14 und dem Wicklungsschenkel 12 drückt.
3 (3) zeigt eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Spannungswandlers 1. Der Spannungswandler 1 ist für dreiphasige Wechselspannungen ausgelegt. Der Spannungswandler 1 weist daher drei Magnetkerne 9 auf, um die herum jeweils eine Primärwicklung 5 und eine Sekundärwicklung angeordnet sind. Jeder Magnetkern 9 ist wie der Magnetkern 9 des in den 1 und 2 gezeigten Spannungswandlers 1 ausgebildet. Die Wicklungsschenkel 12 der Magnetkerne 9 sind sternförmig in einem Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet. Die Basisschenkel 13 der Magnetkerne 9 sind analog zu dem Magnetkern 9 des in den 1 und 2 gezeigten Spannungswandlers 1 jeweils formschlüssig in einer Positionierfassung 21 eines Deckels 3 des Spannungswandlers 1 gelagert. Ferner weist der Spannungswandler 1 für jeden Magnetkern 9 eine Halterung 11 auf, die wie die Halterung 11 des Magnetkerns 9 des in den 1 und 2 gezeigten Spannungswandlers 1 ausgebildet und mit einer Schraubverbindung 31 an dem Deckel 3 befestigt ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so 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.

Claims

Spannungswandler (1), umfassend - wenigstens einen Magnetkern (9) mit einem Wicklungsschenkel (12), um den herum Wicklungen des Spannungswandlers (1) angeordnet sind, einem von dem Wicklungsschenkel (12) beabstandeten Basisschenkel (13) und zwei Seitenschenkeln (14), die jeweils den Wicklungsschenkel (12) und den Basisschenkel (13) miteinander verbinden, - einen Deckel (3), der für jeden Magnetkern (9) eine Positionierfassung (21) aufweist, in der der Magnetkern (9) an dem Deckel (3) positioniert ist, und - für jeden Magnetkern (9) eine Halterung (11) mit zwei voneinander beabstandeten Rahmenelementen (23), die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Magnetkerns (9) jeweils entlang der beiden Seitenschenkel (14) und des Basisschenkels (13) verlaufen und jeweils mit dem Deckel (3) verbunden sind.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 1, wobei die Halterung (11) jedes Magnetkerns (9) Spannelemente (25, 27) aufweist, durch die der Magnetkern (9) mit der Halterung (11) verspannt ist.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 2, wobei die Spannelemente (25, 27) der Halterung (11) jedes Magnetkerns (9) zwei Klemmelemente (25) und eine die beiden Klemmelemente (25) verbindende Spannstange (27) umfassen, jedes Klemmelement (25) formschlüssig zwischen benachbarten Enden der beiden Rahmenelemente (23) der Halterung (11) angeordnet ist und die Spannstange (27) entlang des Wicklungsschenkels (12) des Magnetkerns (9) verläuft.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 3, wobei jedes Klemmelement (25) an einem Übergangsbereich (16) zwischen einem Seitenschenkel (14) und dem Wicklungsschenkel (12) des Magnetkerns (9) angeordnet ist.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 4, wobei der Übergangsbereich (16) eine gebogene Oberfläche (19) aufweist, an der das Klemmelement (25) anliegt.
Spannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Spannstange (27) der Halterung (11) jedes Magnetkerns (9) wenigstens einen durch ein Klemmelement (25) geführten Endbereich mit einem Gewinde aufweist, auf das ein Schraubelement (29) geschraubt ist, das das Klemmelement (25) an den Magnetkern (9) drückt.
Spannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Rahmenelement (23) der Halterung (11) jedes Magnetkerns (9) eine Schirmung (33) mit einer Oberfläche aufweist, die den um den Magnetkern (9) herum angeordneten Wicklungen zugewandt ist.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 7, wobei die Schirmung (33) auf beiden Seiten der um den Magnetkern (9) herum angeordneten Wicklungen teilumfänglich um den Wicklungsschenkel (12) des Magnetkerns (9) verläuft.
Spannungswandler (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schirmung (33) entlang beider Seitenschenkel (14) des Magnetkerns (9) verläuft.
Spannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Schirmung (33) entlang des Basisschenkels (13) des Magnetkerns (9) verläuft.
Spannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Positionierfassung (21) jedes Magnetkerns (9) der Basisschenkel (13) des Magnetkerns (9) formschlüssig gelagert ist.
Spannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Rahmenelement (23) lösbar mit dem Deckel (3) verbunden ist.
Spannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Rahmenelement (23) durch wenigstens eine Schraubverbindung (31) mit dem Deckel (3) verbunden ist.
Spannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit drei Magnetkernen (9).
Spannungswandler (1) nach Anspruch 14, wobei die Wicklungsschenkel (12) der Magnetkerne (9) sternförmig in einem Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sind.