DE1513867A1 - Elektrische Induktionsvorrichtung - Google Patents

Description

Neue Beschreibung

Anmelderin: General Electric Company, Schenectady, New York, USA

Elektrische Induktionsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Induktionsvorrichtung, insbesondere eine Einrichtung für die Verringerung des hörbaren Geräusches, das beim normalen Betrieb einer derartigen Vorrichtung erzeugt wird. Die Erfindung kann besonders bei kernlosen, großen Drosseln verwendet werden, die zur Strombegrenzung oder Leistungsfaktorkorrektur in Wechselstrom-Leistungsübertragungs- und -Verteilungssystemen benutzt werden.

Große elektrische Induktionsvorrichtungen wie Leistungstrans formatoren, Drosseln und dergleichen schwingen während des normalen Betriebs mit einer hörbaren Frequenz. Wenn eine derartige Vorrichtung in einem Metallgehäuse oder -tank untergebracht wird, werden die zum Gehäuse Übertragenen Schwingungen ihrerseits zur umgebenden Atmosphäre als hörbares Geräusch übertragen. Ein derartiges Geräusch ist besonders nachteilig, wenn sich die Vorrichtung an einem Ort befindet, der sonst einen relativ geringen Geräuschpegel aufweist.

Es gibt prinzipiell zwei Maßnahmen für die Reduzierung des von einer derartigen Vorrichtung abgegebenen Geräusches: (i) der Aufbau der Vorrichtung kann so verbessert werden, daß die Amplitude der erzeugten Schwingung vermindert wird; (2) Isolationen oder eine schwingungsdämpfende Einrichtung können

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zwischen der Vorrichtung und der umgebenden Atmosphäre angebracht werden. Gemäß diesen beiden Maßnahmen sind zahlreiche Vorschläge bekannt. Diese umfassen eine Geräuschreduzierung durch Betrieb der Vorrichtung bei einer relativ kleinen Flußdichte, um die magnetostriktiven Effekte in Magnetkernmaterialien zu vermindern, und die Dämpfung der Schwingungen durch elastische Halterung der Vorrichtung sowie den Einbau von verschiedenen schallabsorbierenden Isolationen zwischen den schwingenden Teilen und dem Gehäuse. Bekannte Vorrichtungen dieser Art sind im allgemeinen relativ teuer. Außerdem wurde für gewisse Vorrichtungen dieser Art bisher keine befriedigende Lösung gefunden.

Die Schwierigkeit der Geräuschunterdrückung tritt besonders bei kernlosen großen Drosseln auf. Diese Vorrichtungen werden in Wechselstrom-Leistungserzeugungs- und -verteilungssystemen zur Begrenzung des Stroms während Überspannungen oder für die Kompensation der Kapazität des Leistungsnetzes benötigt. Die Drosseln haben oft eine Höhe und einen Durchmesser von einem Meter und mehr (einige Fuß) und werden bei hoher Energie oder Leistung betrieben. Sie weisen daher große Metallflächen auf, die infolge der durch sie geleiteten Leistung zu Schwingungen angeregt werden, wodurch ein hörbares, störendes Geräusch entsteht. Die Erfindung soll daher anhand einer derartigen Vorrichtung beschrieben und erklärt werden. Es ist jedoch ersichtlich, daß der Gegenstand der Erfindung auch bei anderen elektrischen Vorrichtungen angewendet werden kann.

Kernlose Leistungsdrosseln sind ein extremes Beispiel von elektrischen Induktionsvorrichtungen, bei denen der Fluß so stark nach außen streut, daß er große Wirbelstromverluste und eine gefährliche Erhitzung des magnetischen Materials der umgebenden Tanks oder Gehäuse bewirkt, die die Vorrichtung aufnehmen. Es sind daher flußbegrenzende Wirbelstromabschirmungen verwendet worden, um die Größe des die magneti-

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sierbaren Materialien der Tankwände erreichenden Flußes stark zu begrenzen. Derartige Abschirmungen werden gewöhnlieh aus gut leitenden Materialien wie Kupfer und Aluminium hergestellt und sind gewöhnlich als Zylinder ausgebildet, die im Tank zwischen der Spule und den Tankwänden angebracht sind, Materialien mit kleinem elektrischem Widerstand wie Kupfer und Aluminium sind jedoch relativ weich und flexibel, und Abschirmungen dieser Größe können schwierig in genauer Kreisoder Zylinderform hergestellt werden. Die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den Wirbelströmen in der Abschirmung erzeugt mechanische Spannungen wechselnder Größe in der Abschirmung, und diese Spannungen bewirken eine Ausdehnung und Kontraktion der Abschirmung an verschiedenen Stellen, wodurch starke Schwingungen entstehen. Derartige Schwingungen werden sogar durch kleine Abweichungen des Abschirmungsquerschnitts von einem genauen Kreis sehr verstärkt. Unter der Annahme, daß die Exzentrizität der Abschirmung zu einer elliptischen Form führt, kann mathematisch gezeigt werden, daß eine Abschirmung mit einer Dicke von i,25 cm (0,5 Zoll) und einem Radius von 130 cm (50 Zoll) die eine Abweichung von 0,5 cm (0,2 Zoll) von einem Kreis aufweist, nr einer Intensität schwingt, die 72 Mal größer ist als bei einer gleichen, genau kreisförmigen Abschirmung.

Es ist daher ersichtlich, daß in kernlosen Drosseln ein sehr großer Teil des Geräusches, das durch die Vorrichtung erzeugt wird, durch das Schwingen der Wirbelstromabschirmung verursacht wird. Es ist daher üblich geworden, zwischen der Wirbelstromabschirmung und der Tankwand eine Schwingungsisolation in Form eines evakuierten Raumes oder einer Gasschicht oder eines anderen schwingungsdämpfenden Materials anzubringen. Dadurch werden die Kosten der Einrichtung beträchtlich erhöht, und es ist daher wünschenswert, das zu vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte

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Wirbelstroraabschirmung anzugeben, die so aufgebaut sein soll, daß in vergleichbaren Magnetfeldern ihre Schwingungsintensität bedeutend niedriger als bei bekannten Abschirmungen ist. Weiter soll die Wirbelstromabschirmung so aufgebaut und angeordnet sein, daß keine Schwingungsisolation zwischen der Abschirmung und der Tankwand benötigt wird. Außerdem soll ein verbessertes Gehäuse oder Tank für elektrische Induktionsvorrichtungen, insbesondere für kernlose, große Leistungsdrosseln, angegeben werden, bei denen eine Wirbelstromabschirmung mit verbessertem starrem Aufbau zusammen mit der Tankwand ein Stück bildet.

Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Induktionsvor-φ richtung mit einem dreiteiligen rohrförmigen Gehäuse mit geschlossenen Endabschnitten aus magnetisierbarem Material und mit einem Zwischenabschnitt aus einem unmagnetischen, elektrisch gut leitenden Material dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte zusammenwirkende Paare von Verbindungsflanschen auf dem Umfang haben, die benachbart zu axial entgegengesetzten Enden des Zwischenabschnitts sind, welche Flansche den Zwischenabschnitt versteifen und seine Schwingungen begrenzen, und daß eine stromführende Spule koaxial im Gehäuse zwischen den axial entgegengesetzten Enden des Zwischenabschnitts montiert ist, so daß die Spule bei Er·· regung einen wechselnden Magnetfluß erzeugt, der duroh die elektromagnetische Abschirmwirkung des Gehäusezwischenab-P Schnitts zum größten Teil im Gehäuse gehalten wird.

Durch die einstückige Ausbildung der verbesserten Wirbelstromabschirmung mit der Tank- oder Gehäusewand wird eine derartige Festigkeit des Aufbaus erreicht, daß die Schwingung im Vergleich zu den bisher bekannten unabgesteiften inneren Wirbelstromabschirmungen bedeutend verringert wird. Durch diesen Aufbau werden Schwingungeisolationen zwischen der Wirbelstromabschirmung und der Tankwand vermieden und überflüssig. Es ist natürlich möglich, den Geräuschpegel der Vorrichtung durch den Einbau eines schallabsorbierenden

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Materials um die Außenfläche des leitenden Tankwandabschnittes oder durch eine anders eingebaute Schallisolation um die Außenfläche der Abschirmung weiter zu verringern. Zum Beispiel kann der Absohirmtankabschnitt doppelwandig sein, bei dem der Zwisohenraum zwischen den Wänden evakuiert oder anderweitig schallisoliert ist.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. i eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Ausführungebeispiels einer kernlosen Leistungsdrossel gemäß der Erfindung;

Pig, 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1; ^ und

Fig. 3 einen axialen Teilschnitt eines Drosseltanks mit einem mittleren Wandabschnitt, der ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.;

In den Figuren 1 und 2 ist eine kernlose Leistungsdrossel abgebildet, die eine elektrische Spule 10 aufweist, die zwischen zwei getrennten unterstützenden Isolationsabstandshaltern Ii und 12 und innerhalb eines Zylindertanks oder -gehäuses 13 montiert ist. Das Gehäuse 13 ist im wesentlichen mit einem geeigneten Isolationsmedium 14 wie Öl oder Askarel gefüllt, so daß die Spule 10 und ihr Halterungsaufbau vollkommen im Medium eingebettet sind. Das Isolationsmedium Ik kann durch einen Strahlungskühler in irgendeiner üblichen Weise zir- "

kuliert werden. Die Spule iO ist mit Zuleitungen 10a und 10b versehen, die durch die Oberseite des Tanks in Isolationsdurchführungen 16 und 17 zu geeigneten äußeren Hoch- und Niederspannungsanschlüssen l6a bzw. 17a verlaufen.

Der zylindrische Tank 13 besteht aus drei axial ausgefluchteten und nebeneinander liegenden Abschnitten, wobei der Zwischen- oder mittlere Abschnitt aus einem geeigneten, elektrisch gut leitenden Material wie Kupfer oder Aluminium besteht. In Fig. 1 befindet sich ein zylindrischer mittlerer Abschnitt 20, der zum Beispiel aus Aluminium besteht, zwischen

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zwei geschlossenen Endabschnitten oder Deckeln 21 und 22, die aus Stahlblech bestehen und die Tankverschlüsee an der Ober- und Unterseite ergeben. Die drei Tankabschnitte sind an entgegengesetzten Enden des leitenden Zwischenabschnitts 20 durch zusammenwirkende Paare von Umfangsflanschen 23 und an den einzelnen Tankabschnitten verbunden. Daher befindet sich ein Umfangsflansch 23 und 24 an jedem der axial entgegengesetzten Enden des mittleren Aluminiumabschnitts 20, und diese Flansche dienen sowohl zur Verbindung der zusammenwirkenden Flansche an den Endabschnitten als auch zur Verstärkung und Versteifung des sonst flexiblen mittleren Abschnitts aus Aluminium.

^ Um eine weitere Verstärkung des elektrisch leitenden mittleren Abschirmabschnitts 20 zu erzielen, ist es wünschenswert, zusätzliche Umfangsversteifungen zwischen den Endflanschen 23 und 24 anzubringen. Zu diesem Zweck ist in Fig. i eine Anzahl äußerer kreisförmiger Versteifungsbänder 25 gezeigt, die den Tankabschnitt 20 umgeben und jeweils aus einem U-förmigen Aluminiumträger bestehen, der zu einem genauen Kreisring gewalzt wurde. Die Versteifungsbänder 25 dienen dazu, eine unerwünschte Exzentrizität im Querschnitt des mittleren Abschnitts 20 auszuschließen und auch die Schwingung auf eine nichtstörende Amplitude wirksam zu begrenzen.

Es ist ersichtlich, daß beim Betrieb der magnetische " Fluß, der durch die Spule 10 erzeugt wird, durch keinen Kern eines magnetisierbaren Materials behindert wird und sich im Tank 13 sehr verteilen kann. Wegen der elektromagnetischen Abschirrawirkung des gut elektrisch leitenden Tpnkabschnitts 20 wird der größere Teil dieses Flusses im Tank gehalten. Bei einer größeren Leistungsdrossel wie der hier beschriebenen kann der Durchmesser des Tankabschnitts 20 einen Meter und mehr (einige Fuß) betragen. Es ist daher ersichtlich, daß die Wechselwirkung zwischen dem Spulenfluß und den Wirbelströmen, die im Abschirmabschnitt entstehen,

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zu beträchtlichen Kräften führt, die eine Spannung im Abschnitt 20 hervorrufen und ihn zu Schwingungen anregen wollen. Diese Tendenz zu schwingen wird durch eine kleine Exzentrizität oder Abweichung des Abschnitts von einem genau kreisförmigen Querschnitt sehr gefördert. Infolge der festhaltenden und versteifenden Wirkung der Endflansche 23, 24 und der Umfangsversteifungen 25 hat jedoch der mittlere Abschnitt einen hinreichend starren Aufbau, so daß die Schwingungsamplitude beträchtlich kleiner als bei den bisher bekannten, unabgesteiften inneren Abschirmungen ist.

Kleinere Schwingungen des mittleren Abschirmabschnitts 20 des Drosseltanks gemäß der Erfindung treten allerdings weiter auf. Jede Schwingung dieses Abschnitts oder in dieser Hinsicht irgendeines Teils des Tanks bringt die umgebende Luft zum Schwingen und verursacht dadurch ein Geräusch, das mehr oder minder störend sein kann. Um den Geräuschpegel weiter zu verringern, kann der mittlere Abschnitt 20 von einer Schallisolation wie gemäß Fig. 3 umgeben werden. Wie dort zu sehen ist, hat eine derartige Isolation eine äußere Wand oder eine Manschette 30 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall, die ungefähr die gleiche axiale Ausdehnung wie der leitende Wandabschnitt 20 hat und mit den Umfangsflanschen 23 und 24 am Abschnitt 20 verbunden ist. Der mittlere Wandabschnitt 20 und die äußere Manschette 30 bilden so einen doppelwandigen mittleren Tankabschnitt, der zwischen seinen radial getrennten Wänden die Umfangsversteifungen 25 umgibt. Der Zwischenraum zwischen dem Abschirmwandabschnitt 20 und der davon getrennten Außenwand 30 dient, wenn er evakuiert oder mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist, als Schallisolation zur weiteren Verringerung der Schwingungen, denen die umgebende Luft ausgesetzt ist. In Fig. 3 ist der die Abschirmung 20 umgebende Zwischenraum als mit einer Matte aus schallabsorbierendem Fasermaterial 3i wie Glaswolle oder dergleichen abgebildet.

Patentansprüche

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Claims (2)

1. Oktober 1968 E/Sm
P 15 13867.7
Meine Akte: G-1559

NeuePatentansgrUche

1. Elektrische Induktionsvorrichtung mit einem dreiteiligen, rohrförmigen Gehäuse mit geschlossenen Endabschnitten aus magnetisierbarera Material und mit einem Zwischenabschnitt aus einem unmagnetischen, elektrisch gut leitenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (20,21,22) zusammenwirkende Paare von Verbindungsflanschen (23,24) auf dem Umfang haben, die benachbart zu axial entgegengesetzten Enden des Zwischenabschnitts (20)

A sind, welche Flansche den Zwischenabschnitt versteifen und seine Schwingungen begrenzen, und daß eine stromführende
Spule (10) koaxial im Gehäuse (13) zwischen den axial entgegengesetzten Endes des Zwischenabschnitts montiert ist, so daß die Spule bei Erregung einen wechselnden Magentfluß erzeugt, der durch die elektromagnetische Abschintwirkung des Gehäusezwisohenabschnitts zum größten Teil i» Gehäuse gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gehäuseabschnitte (20,21,22)
zylindrisch sind, und daß mehrere starre, kreisförmige
Versteifungsbänder (25) in Umfangeriohtung außen u« den

W gut leitenden Zwischenabschnitt (20) angebracht sind.

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