DE1801722A1

DE1801722A1 - transformer

Info

Publication number: DE1801722A1
Application number: DE19681801722
Authority: DE
Inventors: Hoover William George
Original assignee: Granger Associates Inc
Current assignee: Granger Associates Inc
Priority date: 1967-10-09
Filing date: 1968-10-08
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3454916A

Description

Transformator. Transformer.

FUr diese Anmeldung wird die Priorität vom 9e Oktober 1967 aus der entsprechenden Anmeldung in den V.S'G A., .St.&-., Serial Nr 673,825 beansprucht.For this application, the priority of October 9, 1967 is changed from the corresponding application in the V.S'G A., .St. & -., Serial No. 673,825.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit einer bewickelten Ringkernanordnung, in der durch Erregung der Wicklung ein magnetischer Fluss induzierbar ist. The invention relates to a transformer with a wound Toroidal core arrangement in which a magnetic flux can be induced by exciting the winding is.

Bisher waren Ringkerne von Transformatoren der Gefahr einer Rissbildung und vorzeitiger Zerstörung ausgesetzt, wenn- längere Zeit hindurch hohe Leistungen übertragen werden mussten. Up until now, toroidal cores of transformers were at risk of cracking and exposed to premature destruction if - for a long time high outputs had to be transferred.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator mit einer Ringkernanordnung zu schaffen, welche ebenso hohe oder noch höhere Leistungen als bisher zu übertragen gestattet, aber die Gefahren der Rlssbildung, Zerstörung des Kerns usw. vermeidet. The invention is based on the object of a transformer with to create a toroidal core assembly, which is equally high or even higher performance allowed to be transferred than before, but the dangers of Rlssbildung, destruction of the core, etc. avoids.

Bekanntlich wird bei der Leistungsübertragung durch einen Transformator mit Ringkern dieser Kern erhitzt . Es wurde gefunden, dass zwar die Temperatur des Kernmaterials im Ganzen beträchtlich gesteigert werden kann, ohne dass Zerstörungseffekte auftreten, dass aber eine gleichzeitige Erzeugung von Temperaturdifferenzen zwischen radial voneinander entfernten Teilen des Kerns Materialbeanspruchungen zur Folge hat, welche die zerstörende Wirkung verursachen. It is known that when power is transmitted through a transformer this core is heated with a toroidal core. It was found that while the temperature of the Core material on the whole can be increased considerably without that destructive effects occur, but that a simultaneous generation of temperature differences material stresses between radially distant parts of the core which cause the destructive effect.

Es wurde ferner gefunden, dass der Kern an seinem Innenumfang rascher erhitzt wird als an seinem Aussenumfang. Dies ist auf die grössere Dichte des magnetischen Flusses zurückzuführen, der in dem Kern während der Leistungsübertragung induziert wird. Der Erfindung liegt hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, die Entstehung eines radialen Temperaturgefälles in dem Kern so klein wie möglich zu halten ohne dabei eine Einbusse hinsichtlich der Fähigkeit des Kerns zur Führung des magnetischen Flusses in Kau? zu nehmen Ausserdem soll durch die Erfindung der Kern eine leichter zu kühlende Ausbildung erhalten Um diesen Forderungen zu genügen, weist ein Transformator gemäss der Erfindung eine solche Ausbildung seiner Ringkernanordnung auf, dass in einem Bereich zwischen dem inneren und dem äusseren Umfang der Ringkernanordnung, welcher näher am äusseren als am inneren Umfang liegt, die Dichte des magnetischen Flusses erheblich erhöht ist. It has also been found that the core more rapidly on its inner circumference is heated than on its outer circumference. This is due to the greater density of the magnetic Due to the flux that is induced in the core during power transmission will. The invention is mainly based on the task of creating a keeping radial temperature gradient in the core as small as possible without doing so a loss in the ability of the core to guide the magnetic River in Kau? In addition, the invention aims to make the core a lighter one receive training to be cooled In order to meet these requirements, a transformer according to the invention such a design of its toroidal core assembly that in an area between the inner and outer circumference of the toroidal core assembly, which is closer to the outer than to the inner circumference, the density of the magnetic The flow is significantly increased.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung besteht die Ringkernanordnung aus zwei mit gegenseitigem radialem Abstand ineinander angeordneten Ringkernkörpern. Dabei hat vorzugsweise der äussere der beiden Ringkernkörper eine grössere Permeabilität und damit eine grössere Gesamtflussdichte als der inneres Teile des Ringkernkörpers lassen sich leicht so ausbilden, dass sie eine grösere Flussdichte führen, so dass die Induktanz des Kernes für seine Abmessung vergrössert wird. According to a further proposal of the invention, there is the toroidal core assembly of two toroidal core bodies arranged one inside the other with a mutual radial distance. The outer of the two toroidal core bodies preferably has a greater permeability and thus a greater total flux density than the inner part of the toroidal core body can easily be designed so that they have a greater flux density lead so that the inductance of the core is increased for its dimension.

Eine Vergrösserung der Induktanz des Kernes ergibt eine verbesserte Leistung des Transformators.Increasing the inductance of the core results in an improved one Transformer power.

Dadurch, qass ein schmaler radialer Abstand zwischen dem inneren und dem äusseren zwe ßr konzentrisch ineinander angeordneter Ringkernkörper vorgesehen wird, wird es möglich, ein Kühlmittel wie Luft oder Isolieröl durch diesen Zwischenraum hindurchzuleiten. As a result, there is a narrow radial distance between the inner and the outer two toroidal core bodies arranged concentrically one inside the other becomes, it becomes possible to pass a coolant such as air or insulating oil through this gap pass through.

Es wurde gefunden, dass bei Ringkernanordnungen das Ausmass der Leistungsverluste am inneren Umfang weitgehend die Permeabilität des Kernmaterials, beispielsweise Ferrit, bestimmt. Die Permeabilität ist naturgemäss praktisch für alle Teiles des Kerns die gleiche. Durch die konzentrische Anordnung von Ringkernkörpern wird es möglich, die Permeabilität der Aussenringe von grosserem Radius derart zu vergrössern, dass die Gesamterwärmung des Kerns nicht übermässig hoch ist, selbst wenn die durchschnittliche Permeabilität des Gesamtkernquerschnitts beträchtlich grösser istJals es mit einem vergleichbaren einstückigen Kernaufbau mit Sicherheit möglich wäre. It was found that with toroidal core arrangements the extent of the power losses at the inner circumference largely the permeability of the core material, for example Ferrite, definitely. The permeability is naturally practical for all parts of the Core the same. The concentric arrangement of toroidal cores makes it possible to increase the permeability of the outer rings of larger radius in such a way that that the total heating of the core is not excessively high, even if the average Permeability of the total core cross-section is considerably greater than it is with one comparable one-piece core structure would be possible with certainty.

Das Prinzip der abgestuften Permeabilität gestattet für eine gegebene Induktanz die Verwendung eines kleineren Magnetkerns und/oder von weniger Windungen auf den Kern. The principle of graded permeability allows for a given Inductance the use of a smaller magnetic core and / or fewer turns to the core.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert: Fig. 1 ist eine schematische perspektiv/ische Darstellung eines Transformatorkernaufbaues gemäss der Erfindung. The invention is exemplified below with reference to the drawing explained in more detail: Fig. 1 is a schematic perspective illustration a transformer core structure according to the invention.

Fig. 2 zeigt ein Kurvenbild, bei dem als Ordinate die Flussdichte und als Abszisse der Radius für einen Teil des Kernaufbaues aufgetragen ist, der oberhalb des Kurvenbildes in,,etwas vergrössertem MaRstab dargestellt ist. FIG. 2 shows a graph in which the ordinate is the flux density and the radius for a part of the core structure is plotted as the abscissa which is shown above the graph on a slightly enlarged scale.

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Kernaufbaues gemäss der Erfindung bei seiner endgültigen Lage innerhalb eines Transformators. Figure 3 is a schematic perspective view of a core structure according to the invention in its final position within a transformer.

Es handelt sich bei dieser Aus führungs form um einen Transformator mit einem Kernaufbau, bestehend aus konzentrisch ineinander angeordneten Ringkernkörpern aus magnetisch permeablen Material zur Führung eines durch die auf den Kern aufgebrachten Wicklungen induzierten Flusses. Die konzentrisch ineinander angeordnet-en Kernkörper haben einen solchen radialen Abstand, dass zwischen dem Aussenumfang des inneren und dem Innenumfang des äusseren Kernkörpers ein zum Hindurchleiten eines KUhlmittelstromes geeigneter Kanal gebildet wird. This version is a transformer with a core structure consisting of concentrically arranged toroidal cores Made of magnetically permeable material for guiding one through the applied to the core Induced flux windings. The concentrically arranged core bodies have such a radial distance that between the outer circumference of the inner and the inner circumference of the outer core body for a flow of coolant through it suitable channel is formed.

Vorzugsweise ist die Permeabilität des äusseren Ringkernkörpers grösser als die- des inneren. Die Abmessung'des inneren Kernkörpers in radialer Richtung beträgt vorzugsweise etw die Hälte der radialen Abmessung des äusseren Ringkörpers, sodass dieser Teil des Kernaufbaues,der infolge des relativ kurzen Flussweges längs seines Umfanges begrenzt werden kann, möglichst klein gehalten wird. The permeability of the outer toroidal core is preferably greater than that of the inner one. The dimension of the inner core body in the radial direction is preferably about half the radial dimension of the outer ring body, so that this part of the core structure, which as a result of the relatively short Flow path can be limited along its circumference, kept as small as possible will.

Es wird also angenommen, dass der Innenumfang Jedes Ringkernkörpers mit einem begrenzenden Faktor. für die Flussdichte oder Flussführungsfähigkeit für diesen Kernkörper bildet. It is thus assumed that the inner circumference of each toroidal core body with a limiting factor. for the flux density or flux guiding ability for forms this core body.

Die Zeichnung zeigt schematisch einen Stapel von konzentrisch zueinander angeordneten Kernkörperpaaren 11, 12. Die Kernkörper 12 befinden sich in einem radialen Abstand von dem rnnenumfang der Kernkörper 11, so dass ein in axialer Richtung durch den Kernaufbau hindurchgehender Strömungskanal 13 gebildet wird. The drawing shows schematically a stack of concentric to each other arranged core body pairs 11, 12. The core body 12 are located in a radial Distance from the inner circumference of the core body 11, so that a through in the axial direction the core structure passing through flow channel 13 is formed.

Die Wicklungen 14 bzw. 16 stellen die Primär-bzw. Sekundärwicklungendes Transformators dar, zu denen die Kernanordnung gehört. Anordnung und Windungszahlen Jeder Wicklung 14 bzw. The windings 14 and 16 represent the primary or Secondary winding end Transformer represents, to which the core assembly belongs. Arrangement and number of turns Each winding 14 resp.

16. entsprechenden der üblichen Ausführung.In der Zeichnung ist nur das Vorhandensein solcher Wicklungen angedeutet, ohne dass dazu nähere Angaben bezüglich Anordnung oder Zahl gemacht sind.16. Corresponding to the usual design. The drawing is only the presence of such windings is indicated without further details regarding this Arrangement or number are made.

Wie in Fig. 2 veranschaulicht, beträgt die radiale Querschnittsfläche 17 des Ringkernkörpers 12 etwa die Hälfte des Betrages der Querschnittsfläche 18 des Ringkernkörpers 11. As illustrated in FIG. 2, the radial cross-sectional area is 17 of the toroidal core body 12 is approximately half the amount of the cross-sectional area 18 of the toroidal core 11.

Wie vorstehend erläutert, wird durch diese Anordnung die Möglichkeit geschaffen, dass die Permeabilität des Kernkörpers 11 beträchtlich grösser ist als die des Kernkörpers 12 weil der durch den inneren Umfang des Körpers 11 definierte Weg des Magnetflusses dazu dient, eine grössere Flussdichte aufzunehmen, als es der kürzere durch den inneren Radius des Körpers 12 definierte Umfang ermöglichen würde. As explained above, this arrangement enables created that the permeability of the core body 11 is considerably greater than that of the core body 12 because that defined by the inner circumference of the body 11 Path of the magnetic flux serves to create a greater flux density to record than the shorter circumference defined by the inner radius of the body 12 allows would.

Es wurde somitfunden, dass selbst bei einer gewissen Herabsetzung des flussführenden Querschnitts durch die Strömungskanäle 13 die hierdurch erreichbaren Vorteile beträchtlich dadurch ausgeglichen werden, dass die oben erwbnten,dn Fluss begrenzenden Eigenschaften vermieden werden. It was thus found that even with a certain reduction of the flow-guiding cross-section through the flow channels 13 that can be achieved thereby Advantages are considerably offset by the fact that the above-mentioned dn river limiting properties are avoided.

In Fig . 2 ist die Charakteristik Jedes Paares von Kernkörpern 11, 12 dargestellt . Wie aus dem Kurvenbild von Fig. 2 hervorgeht, kann Jeweils ein Paar von Kernkörpern wirkungsmässig als Einzelkern 19 angesehen werden, der einen inneren -und einen äusseren Umfang 21 bzw. 22 besitzt, so dass eine Wicklung, wie beispielsweise die Wicklung 14 von Fig. 1, angebracht und so bemessen werden kann, dass durch ihre Erregung ein Magnetfluss in beiden Teilen des Kernaufbaues 19 induziert wird. Wenn der durch den Körper 18 gebildete Teil eine grössere Permeabilität hat als der durch den Körper 17 gebildete Teil, ergibt sich eine beträchtliche Zunahme der Flussdichte an einer Stelle, wie beispiel sweise an dem Punkt 23, die sich zwischen dem inneren und dem äusseren Umfang 21, 22 der gesamten Kernanordnung befindet. Die Stelle 23 ist offensichtlich beträchtlich radial gegenüber dem Innenumfang 21 nach aussen verlegt. In Fig. 2 is the characteristic of each pair of core bodies 11, 12 shown. As can be seen from the graph of FIG. 2, one can in each case Pair of core bodies can be viewed in terms of effect as a single core 19, the one inner and an outer circumference 21 and 22 respectively, so that a winding, such as For example, the winding 14 of Fig. 1, can be attached and dimensioned so that that by their excitation induces a magnetic flux in both parts of the core structure 19 will. When the part formed by the body 18 has a greater permeability as the part formed by the body 17, there is a considerable increase the flux density at a point, such as, for example, at point 23, which is between the inner and outer circumference 21, 22 of the entire core assembly is located. The point 23 is obviously considerably radial with respect to the inner circumference 21 relocated to the outside.

Auf diese Weise wird der übliche Abfall der Flussdichte vom inneren zum äusseren Umfang eines Ringkernaufbaueshin beträchtlich verbessert. In this way, the usual drop in flux density from the interior the outer circumference of a toroidal core structure is considerably improved.

Wie schon erwähnt, bilden die Kanäle 13 eine vergrösserte Oberfläche zum Kühlen der Ringkörper 11, 12, wenn sie von Luft oder einem Isolieröl durchströmt werden. As already mentioned, the channels 13 form an enlarged surface for cooling the ring bodies 11, 12 when air or an insulating oil flows through them will.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Transformatoraufbau 24 ist beispielsweise ein zylindrisches äusseres Gehäuse g6 vorgesehen, in welchem sich ein zylindrischer t'Kamin" 27 aus Isoliermaterial befindet. Der Kamin 27 hat einen gewissen Abstand von der Innenwandung des Gehäuses 26 und ist in Längsrichtung offen, so dass eine Art Zugraum gebildet wird. Der Kamin 27 befindet sich unterhalb einer Isolierlfüllung in dem Gehäuse 26, so dass beim Betrieb der aktiven Teile des Transformators 28 Wärme erzeugt wird, die durch das öl abgeleitet wird. In the transformer assembly 24 shown in FIG. 3, for example a cylindrical outer housing g6 is provided, in which a cylindrical The chimney 27 is made of insulating material. The chimney 27 has a certain distance from the inner wall of the housing 26 and is open in the longitudinal direction, so that a Kind of train space is formed. The chimney 27 is located below an Isolierlfüll in the housing 26, so that during operation of the active parts of the transformer 28 Heat is generated which is dissipated through the oil.

Die aktiven Transformatorteile 28 sind auf entgegengesetzten Seiten einer als Scheidewand dienenden Platte 29 montiert Jede aktive Transformatoreinheit 28 wird durch eine zu beiden Enden eines Stapels von Kernkörperpaaren, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, angebrachten Teile 31 zusammengehalten. The active transformer parts 28 are on opposite sides a plate 29 serving as a partition wall mounts each active transformer unit 28 is supported by one at either end of a stack of core body pairs as shown in FIG 1, attached parts 31 are held together.

Der Kernkörper 11 von Fig. 1 ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 11' versehen. Die Endplatte 31 weist öffnungen 33 auf, welche oberhalb der Strömungskanäle 13 liegen, die durch die Kernkörper 11' und 12' begrenzt sind.The core body 11 of Fig. 1 is shown in Fig. 3 with the reference numeral 11 ' Mistake. The end plate 31 has openings 33 which are above the flow channels 13, which are limited by the core body 11 'and 12'.

Die elektrischen Leiter 32 bilden die in Fig. 1 mit 14 und 16 bezeichneten Wicklnngen. Es handelt sich dabei um Leiter für einen Hochleistungs-Hochfrequenztransformator. The electrical conductors 32 form those designated by 14 and 16 in FIG. 1 Windings. It is a conductor for a high-performance high-frequency transformer.

der dargestellten Art. Daher bestehen die Leiter in an sich bekannter Weise aus einem stabförmigen Element aus Kupfer oder anderem geeigneten Leitermaterial von verhältnismässig grossem Durchmesser.of the kind shown. Therefore, the ladder consist in itself better known Way from a rod-shaped element made of copper or other suitable conductor material of relatively large diameter.

Zur Herstellung des Anschlusses sind ein Paar von Leitern, wie sie in gestrichelten Linien 34 angedeutet sind, an die Transformatoreinhet 28 angeschlossen, beispielsweise in Form von Koaxialkabeln (nicht dargestellt). Solche Anschlüsse sind allgemein üblich und erfordern daher keine Beschreibung im einzelnen. To make the connection are a pair of conductors like them are indicated in dashed lines 34, connected to the transformer unit 28, for example in the form of coaxial cables (not shown). Such connections are common and therefore do not require a detailed description.

Im Betriebe erzeugen die Transformatoreinheiten 28 einer Übertragung relativ hoher Leistung eine beträchtliche Wärme. In operation, the transformer units 28 produce a transmission relatively high power a considerable amount of heat.

Wenn die Wärme zunimmt, wird eine Strömung des Isolieröls, in welches die Einheiten 28 eingetaucht sind,. verursacht.When the heat increases, there is a flow of insulating oil into which the units 28 are immersed ,. caused.

Durch die Strömungskanäle 13 ergeben sich zusätzllche KUhlflächen für Jede Transformatorelnheit, welche schon an sich zur besseren Kühlung beitragen, aber auch noch eine zusätzliche Olzirkulation in dem Zugraum des Kamins 27 verursachen, Wie ohne weiteres ersichtlich, wird auf diese Weise die für die Kernkörperteile 11, 12 verfügbare Kühlfläche beträchtlich vergrössert . Diese Kühlfläche erstreckt sich in Längsrichtung durch den ganzen Kernkörperstapel hindurch.The flow channels 13 result in additional cooling surfaces for every transformer unit, which in itself contributes to better cooling, but also cause an additional oil circulation in the draft space of the chimney 27, As is readily apparent, this is done for the core body parts 11, 12 available cooling surface increased considerably. This cooling surface extends lengthways through the entire core body stack.

Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass aufgrund des neuen Kernaufbaues eines Transformators die Länge der Wicklungen 14, 16 herabgesetzt werden kann, was wiederum eine beträchtliche Herabsetzung der Erwärmung der die Wicklunten 14, 16 bildenden Leiter zur Folge hat, so dass eine höhere obere Grenze des Frequenzbereiches erreichbar ist. Another important benefit is that because of the new Core structure of a transformer, the length of the windings 14, 16 can be reduced can, which in turn significantly reduce the heating of the wraps 14, 16 forming conductors, so that a higher upper limit of the frequency range is attainable.

Claims

1. Transformer with a movable toroidal core assembly in which a magnetic flux can be induced by exciting the winding, characterized by such a design of the toroidal core assembly that in an area between its inner and outer circumference, which is closer to the outer than to the inner Range, the density of the magnetic flux has a significant increase.

2. Transformer according to claim 1, characterized in that the Toroidal core arrangement of two arranged one inside the other with a mutual radial spacing Toroidal cores consists.

3. Transformer according to claim 2, characterized in that the outer of the two toroidal core bodies have a greater permeability and thus a greater one Having total flux density than the inner one.

4. Transformer according to claim 2 or 3, characterized in that that the radial core cross-section of the inner core body is about half as large like that of the outside.

5. Transformer according to one of claims 1 to 4, characterized by such a size of the permeabilities of the toroidal core assembly forming Toroidal core that the permeability of the outer toroidal core oln at least a related magnetic flux density about as large as that of the inner one oingkernkörper may lead.