DE102020211253A1

DE102020211253A1 - Transformator

Info

Publication number: DE102020211253A1
Application number: DE102020211253.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Fischer; Aime Mbuy
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-10
Also published as: EP4189709A1; WO2022053316A1; US20230360836A1; CN116348974A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (3). Der Transformator (1) umfasst einen Magnetkern (1), eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns (1) herum verlaufende Spule (9) und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) angeordnete Füllschicht (11), die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist.

Description

Ein Transformator weist in der Regel einen Magnetkern auf, um den herum wenigstens eine primärseitige Spule und wenigstens eine sekundärseitige Spule verlaufen. Der Magnetkern ist in der Regel aus Elektroblech gefertigt, um Wirbelströmen in dem Magnetkern entgegenzuwirken. Dazu werden Elektroblechschichten lamelliert und voneinander elektrisch isoliert zu dem Magnetkern zusammengefügt. Der Magnetkern weist dadurch eine Oberfläche mit von den Elektroblechschichten gebildeten Kanten und/oder Stufen auf. Dadurch entstehen luftgefüllte Zwischenräume zwischen den Spulen und der Oberfläche des Magnetkerns, die für die Leitung eines magnetischen Flusses ungenutzt bleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator anzugeben, der hinsichtlich der Leitung eines magnetischen Flusses verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Transformator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Transformator umfasst einen Magnetkern, eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns herum verlaufende Spule und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule angeordnete Füllschicht, die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist.
Durch die magnetisierbare Füllschicht wird ein sonst luftgefüllter Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule des Transformators mit magnetisierbarem Material gefüllt. Die Füllschicht unterstützt die Leitung eines magnetischen Flusses des Magnetkerns des Transformators, indem sie die von der Spule umschlossene Querschnittsfläche, die mit magnetisierbarem Material ausgefüllt ist, vergrößert. Gegenüber einem herkömmlichen Transformator ohne eine magnetisierbare Füllschicht wird dadurch insbesondere bei gleichem Spulendurchmesser weniger Elektroblech benötigt, um denselben magnetischen Fluss zu realisieren. Dadurch können Material und Kosten für die Herstellung des Magnetkerns eingespart werden, ohne die elektromagnetische Induktion im Magnetkern zu erhöhen. Außerdem können Stützstrukturen im Transformator wie Pressspan- oder Papierzylinder reduziert werden, da deren Funktion teilweise von der Füllschicht übernommen werden kann. Auch dadurch können Kosten für die Herstellung des Transformators reduziert werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung füllt die Füllschicht einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule vollständig aus.
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung nutzt vorteilhaft den gesamten Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule zur Leitung des magnetischen Flusses. Dadurch wird die Wirkung der Füllschicht optimiert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Füllschicht aus einem paramagnetischen Material gefertigt.
Durch die Verwendung eines paramagnetischen Materials folgt die Magnetisierung der Füllschicht dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld und erhöht somit vorteilhaft den von dem Magnetkern geleiteten magnetischen Fluss.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Füllschicht eine größere Permeabilitätszahl als Luft auf.
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass die Füllschicht die Leitung des magnetischen Flusses gegenüber einem Transformator mit einem luftgefüllten Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule nur verbessert, wenn die Füllschicht eine größere Permeabilitätszahl als Luft aufweist. Je größer diese Permeabilitätszahl ist, desto mehr trägt die Füllschicht zur Leitung des magnetischen Flusses bei und entlastet den Magnetkern, beziehungsweise desto mehr Elektroblech kann für die Herstellung des Magnetkerns eingespart werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Füllschicht aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Besonders bevorzugt ist die Füllschicht aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff gefertigt. Weichmagnetischer Verbundwerkstoff wird auch als Soft Magnetic Composite (SMC) bezeichnet. Vorzugsweise wird ein weichmagnetischer Verbundwerkstoff verwendet, der eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Beispielsweise ist die Füllschicht durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffs hergestellt.
Weichmagnetische Materialien lassen sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren und eignen sich deshalb besonders gut als Material für die Füllschicht. Weichmagnetische Verbundwerkstoffe haben insbesondere den Vorteil, dass sie deutlich höhere Permeabilitätszahlen als Luft haben und als Pulver gepresst und gesintert werden können. Durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffs kann die Füllschicht daher leicht als Formteil hergestellt werden, wobei auch Füllschichten mit komplexen dreidimensionalen Geomtrien herstellbar sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Füllschicht eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche auf, die die Form eines Zylinders mit einer glatten, vorzugsweise ovalen und insbesondere kreisförmigen Leitkurve hat.
Die Füllschicht erhält dadurch vorteilhaft eine glatte Außenoberfläche, um die herum die Spule lückenlos angeordnet werden kann, im Unterschied zu der Oberfläche eines aus Elektroblech gefertigten Magnetkerns.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetkern aus Elektroblech gefertigt.
Wie oben bereits ausgeführt wurde, wird der Magnetkern eines Transformators in der Regel aus Elektroblech gefertigt, um Wirbelströmen in dem Magnetkern entgegenzuwirken, und weist infolgedessen Kanten und/oder Stufen auf. Die Erfindung ermöglicht das Ausfüllen der bei einem solchen Magnetkern auftretenden Zwischenräume zwischen dem Magnetkern und der Spule mit der Füllschicht.
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 Querschnittdarstellung eines Magnetkerns eines Ausführungsbeispiels eines Transformators,
2 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Transformators.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 (1) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Magnetkerns 1 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators 3 (siehe 2). Der Magnetkern 1 ist aus Elektroblech gefertigt, indem (nicht näher dargestellte) Elektroblechschichten lamelliert und voneinander elektrisch isoliert zusammengefügt werden. Die Elektroblechschichten sind mit unterschiedlichen Breiten derart ausgeführt und angeordnet, dass der Querschnitt des Magnetkerns 1 einer Kreisfläche angenähert ist. Durch die Schichtung des Elektroblechs weist die Oberfläche des Magnetkerns 1 Kanten 5 und Stufen 7 auf.
2 (2) zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators 3.
Der Transformator 3 umfasst einen Magnetkern 1, eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns 1 herum verlaufende Spule 9 und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule 9 angeordnete magnetisierbare Füllschicht 11. Der Magnetkern 1 ist wie der anhand der 1 beschriebene Magnetkern 1 ausgeführt.
Die Füllschicht 11 füllt einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule 9 vollständig aus. Die Füllschicht 11 ist aus einem paramagnetischen, beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt, das eine höhere Permeabilitätszahl als Luft aufweist. Besonders bevorzugt ist die Füllschicht 11 aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff (SMC), insbesondere durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffes gefertigt. Die Füllschicht 11 weist eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche 13 auf, die die Form eines Zylinders mit einer ovalen, insbesondere kreisförmigen Leitkurve 15 hat.
Die Füllschicht 11 unterstützt die Leitung eines magnetischen Flusses des Magnetkerns 1 des Transformators 3, indem sie die von der Spule 9 umschlossene Querschnittsfläche vollständig mit magnetisierbarem Material ausfüllt. Gegenüber einem herkömmlichen Transformator ohne die Füllschicht 11 wird dadurch bei gleichem Spulendurchmesser weniger Elektroblech benötigt, um denselben magnetischen Fluss zu realisieren. Eine Beispielrechnung für einen Magnetkern 1 mit einem Durchmesser von 29 cm, einer Querschnittsfläche von 587,5 cm² und der Permeabilitätszahl 2000 und einer von der Spule 9 umschlossenen Querschnittsfläche von 660,5 cm² ergibt, dass die Querschnittsfläche des Magnetkerns 1 um etwa 1,3 % reduziert werden kann, um mit einer Füllschicht 11 denselben magnetischen Fluss wie ohne die Füllschicht 11 zu realisieren, wenn die Füllschicht die Permeabilitätszahl 200 aufweist. Ferner ergibt eine Simulation auf Basis einer Finite-Elemente-Methode, dass sich in diesem Beispiel infolge des durch die Füllschicht 11 vergrößerten effektiven Querschnittes zur Leitung des magnetischen Flusses bei gleicher Erregung durch einen elektrischen Spulenstrom von 12 kA die magnetische Flussdichte im Magnetkern 1 von 193,7 mT auf 189 mT, also um 2 % gegenüber einer Ausführung ohne die Füllschicht 11 verringert und der Magnetkern 1 dementsprechend entlastet wird. Eine Füllschicht 11 mit einer noch größeren Permeabilitätszahl ermöglicht eine weitere Reduzierung der Querschnittsfläche des Magnetkerns 1 und damit eine entsprechende Reduzierung der Menge von zur Herstellung des Magnetkerns 1 benötigten Elektroblechs beziehungsweise eine noch größere Entlastung des Magnetkerns 1.
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

Transformator (3), umfassend - einen Magnetkern (1), - eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns (1) herum verlaufende Spule (9) und - eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) angeordnete Füllschicht (11), die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist.
Transformator (3) nach Anspruch 1, wobei die Füllschicht (11) einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) vollständig ausfüllt.
Transformator (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Füllschicht (11) aus einem paramagnetischen Material gefertigt ist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) eine größere Permeabilitätszahl als Luft aufweist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffs hergestellt ist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche (13) aufweist, die die Form eines Zylinders mit einer glatten Leitkurve (15) hat.
Transformator (3) nach Anspruch 8, wobei die Leitkurve (15) oval, insbesondere kreisförmig, ist.
Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetkern (1) aus Elektroblech gefertigt ist.