DE1933696U - Transformator. - Google Patents

Description

Transformator.

Pur diese Anmeldung wird die Priorität ans der entsprechenden USA-Patentanmeldung Serial-Uo. 195 108 vom 16.5·1962 beansprucht,

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Induktionsapparate, wie Transformatoren, insbesondere auf deren Wicklungen. Um eine enge Kopplung und um geringe Streuverluste zu erhalten, wurden bei den bisher gebräuchlichen Induktionsapparaten, z.B. bei Transformatoren die Wicklungen auf einem Eisenkern angeordnet, Wenn supraleitende stromdurchflossene Leiter verwendet werden, bietet der Eisenkern bezüglich der thermischen Verluste im Kühlmedium große Schwierigkeiten. Eisenkernlose Transformatoren wurden bisher bei gewöhnlichen Leistungstransformatoren wegen der übermäßigen Streuverluste nicht verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue, verbesserte Wicklung für elektrische Induktionsapparate zu schaffen, mit der es möglich

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wird, die Streuverluste auf- einen extrem niedrigen Wert herabzusetzen? bei gleichzeitig gleichmäßig geringer Beanspruchung der Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Weiterhin soll erreicht werden, daß unbesahadet der Gesamtspannung der Hochspannungswicklung die Spannung zwischen einarider benachbarten Teilen der Primär- und Sekundärwicklung ni«e das Potential -der Niederspannungswicklung überschreitet. Ferner ist angestrebt, die Wanderwellenspannungen im Transformator so zu verteilen, daß die Isolation nur geringfügig beansprucht wird und schließlich soll mit der Erfindung, ein Transformator geschaffen werden, der über einen sehr breiten Frequenzbereich arbeitet.

Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel in einfacher und billiger Weise dadurch erreicht, daß die Primär- und die Sekundärwicklung eines Transformators gleiche Windungszahl haben und daß diese zueinander in engster Nachbarschaft stehen. Dies geschieht durch Verwendung eines koaxialen oder anderweitig eng gekoppelten und gemeinsam zur Spule oder Spulenreihe gewickelten Leiterpaares gegebenenfalls in Verbindung mit einem Magnetkern, sofern ein solcher erforderlich ist. Die Spule kann in bestimmten Abständen angezapft werden und die einzelnen Spulenabschnitte werden in besonderer Weise zusammengeschaltet. Bei der Schaffung eines Aufwärtstransformators wird zu diesem Zweck dessen Außenleiter an einer der gewünschten Primärinduktanz entsprechenden Stelle durchbohrt und am Mittelleiter ein Stufenanschluß angebracht. Nahe dieser Anzapfung ist auch am Außenleiter eine Anzapfung vorgesehen. Die damit erreichbare Spulenabschnittszahl ist um Eins geringer als der gewünschte Aufwärtsbetrag. Um die angestrebte Ausgangsspannung zu erreichen, sind die einzelnen Anzapfungen miteinander, wie nachstehend noch näher beschrieben wird, zusammengeschaltet.

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Anhand der auf der Zeichnung dargestellten Ausführüngsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert:

Die Fig.l zeigt eine Wicklung in Seitenansicht mit wahlweise vors elitärem Eisenkern, der nur teilweise dargestellt ist. In der Fig. 2 ist das Schaltscheina einer vier Wicklungsabschnitte aufweisenden Wicklung wiedergegeben unter Angabe der ungefähren Spannungs- und Stromverteilung. Die Fig.3 zeigt ein Querschnittsbild durch einen koaxialen Leiter, dessen beide Leiter voneinander isoliert sind. In der Fig.4 ist ein Anwendungsbeispiel im Schnitt dargestellt, bei dem ein Transformator in einen geschlossenen Behälter, der extrem tiefe Temperaturen in seinem Innern hat, eingesetzt ist. Die Fig. 5 zeigt ein Querschnittsbild eines ains Streifen oder Bändern bestehenden Leiterpaares, die durch eine Isolierschicht voneinander getrennt sind. In Fig.6 ist eine weitere Ausführungsform eines koaxialen Leiters wiedergegeben, dessen beide Leiter voneinander durch eine Isolierschicht getrennt sind und der Außenleiter noch einen zusätzlichen Isolationsauftrag besitzt. In der Fig.7 ist wieder ein aus Streifen und Bändern bestehendes Leiterpaargezeigt , bei dem auf dem Außenleiter gleichfalls eine Isolierschicht angebracht ist. Die Fig.8 und 9 zeigen Transformatorkaskadenschaltungen, bei denen Wicklungen nach der Erfindung benutzt sind. ■ ,

In der Fig.l ist ein aktiver Transformatorte-il 8 dargestellt, der aus der Wicklung 12 und dem Eisenkern 10 besteht. Der Eisenkern 10, der selbstverständlich einen geschlossenen Magnetkreis bildet, kann wahlweise Verwendung finden, d.h. in bestimmten Fällen kann auf ihn gänzlich verzichtet werden. Die Wicklung 12, die eine Vielzahl von Windungen aufweist, ist aus einem koaxialen kreisförmigen Leiterpaar gewickelt, wobei der runde Zentralleiter 14 (Innenleiter) von einer elektrischen Isolation 15 umhüllt ist, über der der äußere,als runder Rohrleiter ausgeführte zweite Lei-

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ter 16 (Außenleiter) aufgebracht ist. Beide Leiter 14 und 15 haben in der Wicklung gleiche Längen. Der Innenleiter 14 ist am Wicklungsanfang mit Erde verbunden. Entsprechend einer gewünschten Primärinduktanz ist der Innenleiter 14 in der Nähe der Wicklungseingangsseite bei 20 angezapft. Zu diesem Zweck wird an der Anzapfstelle 20 der äußere Leiter 16 sowie die Isolation 15 durchbohrt und der Niederspannungsleiter 22 am Innenleiter 14 angeschlossen. Dieser Leiter 22 ist vermittels des Verbindungsleiters 17 an eine am wicklungseingangsseitigen Ende am Außenleiter 16 angebrachte Anschlußschelle angeschlossen. Eine ■ rohrfö'rmige Anschlußschelle ist weiter dicht beim Anzapfpunkt 20 auf den Außenleiter 16 angebracht und der daran angeschlossene Verbindungsleiter 24 stellt eine Verbindung zu dem Anzapf p'unkt. 25 . des Innenleiters 14 in gleicher Weise her wie beim Anschlußpunkt 20 beschrieben wurde. Eine dicht beim ,Anzapfpunkt 20 aufgebrachte

Anschlußschelle 27 stellt über den daran angeschlossenen Verbin-

enddungsleiter 26 schließlich die Verbindung mit dem wicklungs/seitigen Teil des Innenleiters 14 her, in dessen Nähe auf dem Außenleiter 16 wiederum eine Anschlußschelle 29 angebracht ist, mit der die Wicklungsausgangsleitung 28 verbunden' ist, während die andere Seite des Hochspannungsausgangs 30 mit Erde verbunden ist. Da der durch den Innenleiter 14 erzeugte Fluß im Außenleiter 16 eingeschlossen ist, ist der Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Leitern einheitlich. Der Induktivitätsverlust in jedem Wicklungsabschnitt ist annähernd gleich der an den Klemmen eines kurzen koaxialen Leiters von der gleichen Länge, wie bei der vorliegenden Wicklung-. Der Wert selbst ist außerordentlich niedrig und ist unabhängig von der Art der Anbringung der Windungen in der Wicklung. Im wesentlichen wird die Eingangsspannung im Innern,beispielsweise dem Primärleiter 16 zwischen Erde und Anzapfpunkt 20 gleich sein wie im äußeren bzw. Sekundärleiter 16 zwischen der Verbindungsschelle 18 und der Verbindungs-

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schelle 21. Da der Anfang des Außenleiters 16 über den Verbindungsleiter 17 mit dem Hochspannungseingang verbunden ist, ist die·Spannung von Erde zur ersten Anzapfung gleich der Summe der angelegten Spannung und der induzierten Spannung im ersten Wicklungsabschnitt. Der Unterschied dieser Spannung und der der inneren Anzapfung bei Punkt 20 wird zum Steuern der 'Primärspannung des zwischen den Punkten 20 und 25 liegenden zweiten Abschnitts der Transformatorwicklung 12 benutzt. Diese Maßnahme wiederholt sich entsprechend der Zahl der gewählten Wicklungsabschnitte und der gewünschten Ausgangsspannung. U.U. wird in manchen Pä-llen eine magnetische Kopplung der Wicklungsabschnitte nicht benötigt. In diesem Falle kann dann jeder Wicklungsabschnitt für sich gewählt werden und kann einen getrennten eigenen Magnetkern haben. Um zusätzliche Induktivitätsverluste zu vermeiden, sollen die Verbindungsleiter 24, 26 so kurz wie möglich gemacht werden und außerdem sollen sie möglichst parallel zueinander verlaufen.

Anhand des in der Pig.2 wiedergegebenen. SchaltSchemas 30 einer erfindungsgemäß ausgeführten Wicklungsanordnung wird die Stromverteilung besprochen. Die Wicklung 111 ist wieder aus einem koaxialen Leiterpaar gewickelt, dessen Innenleiter mit 110 und dessen Außenleiter mit 112 bezeichnet ist. Auch diese Wicklung weist vier Wicklungsabschnitte 94, 96, 98 und 100 auf, die vermittels der Verbindungsleiter 104, 106 und 108 zusammengeschaltet sind. Ein Lastwiderstand 33 von 500 0hm ist zwischen Erde und dem oberen Ende des Außenleiters 112 des Verbindungsabschnitts 100 angebracht. Wenn eine Eingangsspannung von 100 V und ein Eingangsstrom von 5 Amp angenommen wird und der Einfachheit halber die Magnetisierungsstromverluste und Transformatorverluste vernachlässigt werden, ergibt sich nachstehende Stromverteilung, sofern die Wicklungsabschnitte für 100 V-Abschnitte ausgelegt sind. Der Eingangsstrom von 3 Amp. teilt sich in einen

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4 Amp.-Strompfad auf, der durch, den Außenleiter 112 des Wick- lungsabschnitts 94 fließt und in einen 1 Amp.-Strompfad, der durch den Verbindungsleiter 102 fließt. Im Wicklungsabschnitt 96 fließt sodann durch den Außenleiter 112 ein Strom von 3 Amp., während durch den Verbindungsleiter 104 1 Amp.fließt, wobei der Verbindungsleiter ein Potential von 200 V gegen Erde erhält. Das Potential am Verbindungsleiter 106 steigt im Wicklungsabschnitt 98 auf 300 V an bei einem durchfließenden Strom von 1 Amp. Der Strom im Außenleiter des* Wicklungsabschnittes 98 verringert sich dabei auf 2 Amp. Im obersten Wicklungsabschnitt 100 verringert sich der den Außenleiter 112 durchfließende Strom auf 1 Amp.,während der Verbindungsleiter 108 be.i einer erreichten Spannung von 400 V. von 1 Amp. durchflossen wird. Die Ausgangsspannung von 500 V·ist am Lastwiderstand 33 zwischen oberem Ende des Außenleiters 112 des Wicklungsabschnittes 100 und Erde erreicht. Der Laststrom beträgt somit 1 Amp. Das Potential zwischen dem Innenleiter 110 und dem Außenleiter 112 ist entlang der gesamten koaxialen Wicklung in jedem Punkt gleich der unteren Eingangsspannung. Da die Isola—

beansprucht tion zwischen dem Innen- und Außenleiter gleichmäßig/ist, kann-· .

diese verhältnismäßig recht hoch beansprucht werden. In den einzelnen Wicklungsabschnitten ist der Laststrom in den Innen--und Außenleitern jedoch gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet. Damit wird das Magnetfeld außerhalb des·koaxialen Leiters gleich Null und es ist dort nur das durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufene Feld vorhanden. Dies ist hinsichtlich der Vermeidung der Löschwirkung im Supraleiter von Vorteil.

In den Fig.3 und.6 ist jeweils ein Querschnittsbild von zwei Arten koaxialer Leiter gemäß der Erfindung zu sehen. Dabei zeigt die Fig.3 einen Leiter 32 von rundem Querschnitt, der von einer Isolier-' schicht 34 umhüllt ist, über der ein hohler rohrförmiger Leiter 36 aufgebracht ist. Die Fig.6 zeigt einen ähnlichen Leiteraufbau, wo-

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bei zwischen dem Innenleiter 38-und dem Außenleiter 42 eine Isolierschicht 4-0 angebrac-ht ist und der Außenleiter von einer zusätzlichen -Isolierschicht 44 umhüllt ist. Eine derartige Leiterausführung verhindert einen Wicklungsschluß und bringt eine Iso- lation gegenüber einem evtll vorhandenen Eisenkern. Aus wirtschaftlichen Gründen kann es u.U. vorteilhaft sein, die Leiterdurchmesser in .den verschiedenen Wicklungaabschnitten entsprechend den dort herrschenden Strömen' zu variieren. In den Figuren 5 und 7 sind zwei Querschnittsbilder von Leiterpaaren widergegeben, bei denen die beiden Leiter aus Streifen oder Bändern bestehen. In der Fig.5 sind die beiden parallelen Flachleiter 56 und 58 durch eine zwischengebrachte Isolation 54 voneinander getrennt. Bei der Ausführung nach Fig.7 sind die beiden parallelen Bandleiter 66 und 64 gleichfalls durch eine zwischengebrachte Isolierschicht 60 getrennt und auf dem Außenleiter 64 ist noch eine weitere Isolierschicht 62 vorgesehen. Ein Ausführungsbeispiel eines kernlosen Transformators nach der Erfindung, der bei extrem niederen Temperaturen arbeitet, ist in Fig.4 dargestellt. Bei diesen tiefsten Temperaturen wird bekanntlich der Widerstand von gewissen Leitermaterialien, z.B. Niob, ganz wesentlich gegenüber Raumtemperaturen herabgesetzt. Im ■ Ausführungsbeispiel der Fig.4 nimmt ein geschlossener Metallbehälter 50 eine Spule 46 auf, die aus einem gemäß der Erfindung hergestellten Leiter gewickelt ist. Das Behälterinnere ist durch entsprechende Mittel, z.B. flüssiges Helium gekühlt, um dadurch den Widerstand der Spule 46 bis auf, einen vernachlässigbaren kleinen Wert herabzusenken. Auf der Außenseite hat der Behälter 50 eine Wärmeisolation 52, um.das Eindringen von Wärme in die Behälterkammer 48 zu verhindern. Ein in dieser Weise ausgeführter Behälter kann noch in ein weiter nicht dargestelltes Gefäß mit zwischenliegender Temperatur, z.B. in ein mit flüssigem Stickstoff gefülltes Gefäß eingesetzt sein. Mit 47 sind zwei Fiederspannungs-

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eingangsleitungen angedeutet und mit 49 eine Noehspannungsanschlußleitung. Sämtliche Anschlußleitungen werden wärmefest und elektrisch isoliert in den Behälter eingeführt und es ist deshalb wünschenswert, daß -die Anschlüsse einen nur geringen Querschnitt aufweisen, der entsprechend den sie'durchfließenden Strömen gewählt ist. Wenn eine den Eingang mit dem'Ausgang verbindende Leitung 100 außerhalb des Behälters' 50 benutzt wird, brauchen nur drei Anschlußleitungen durch die Behälterwände geführt zu werden. Als Material für den Behälter verwendet man vorzugsweise supraleitendes Metall.

In der Fig.8 ist ein Schaltbild, einer Transformatorkaskadenschaltung wiedergegeben, wobei vier gleiche Transformatorteile 72,74, 76 und- 78, die nach der Lehre der Erfindung aufgebaut sind, verwendet werden. Jeder Transformatorteil hat demnach einen Primärleiter 68 sowie einen Sekundärleiter 70 und jeder Spulenabschnitt ist aus einem koaxialen Leiter oder anderweitig im dichten Abstand angebrachten, z.B. parallel liegenden und gemeinsam aufgewickelten Leiterngemäß der Erfindung gewickelt. Der Eiederspannungsanschluß ist an der Reihenschaltung des Primärleiters 68 und des Sekundärlei· ters 70 des Transformatorteils 72 angebracht und der Hochspannungsaus gang ist zwischen dem oberen Ende der Sekundärwicklung 102 des Transformatorteils 78 und dem unteren Ende der Primärwicklung 68 de Transformatorsteils 72 angebracht. In der Pig.8 sind sowohl die Spannungs- als auch die Stromwerte an den betreff end-en Teilen eingetragen. Das Gesamtspannungsverhältnis Ausgang zu Eingang ist · gleich Tj . Die Spannung in jedem Transformatorteil beträgt im angenommenen Beispiel 100 V, während der Strom sowohl primär- als auch sekundärseitig eines jeden Abschnittes .gleichgroß, aber entgegengesetzt gerichtet ist.

Die Fig.9 zeigt ein ähnliches Schaltbeispiel der Erfindung mit vier gleichen Transformatorteilen 80, 82, 84 und 86, die nach der Lehre

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der Erfindung aufgebaut und geschaltet sind·. Auch hier besteht jeder Teil wieder aus einem Primärleiter 88 und einem Sekundärleiter 90 und jeder Teil "bildet getrennte Spulen, die aus koaxialem Leiter oder einem parallel nebeneinander liegenden Leiterpaar, die gemeinsam zur Spule gewickelt sind, bestehen. Die Eingangsspannung liegt hier zwischen den in Reihe geschalteten Primärwicklungen 88, 92 und 104. Auch hier sind in allen Spulenteilen die Potentialdifferenzen zwischen Primär- und Sekundärseite gleichgroß und die Ströme sind primär- und sekundarseitig wieder gleichgroß aber entgegengesetzt gerichtet. Der Hochspannungsausgang ist zwischen dem äußeren Ende der Sekundärwicklung 110 des Transforma- · torteils 86 und Erde gelegt. Die Ausgangsspannung entspricht damit den fünf in Reihe geschalteten Spulen, sodaß das Transformationsverhältnis ■#· ist. In der Pig.9 sind die entsprechenden .Spannungswerte (unter Vernachlässigung des kleinen Magnetisierungsstromes) sowie die Stromwerte und deren Richtungen eingetragen. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2, 8 und 9 können die verschiedenen Spulenteile auf einem und demselben Magnetkern aufgebracht sein, es können aber auch für jeden Transformatorteil getrennte Eisenkerne vorgesehen werden. Bei gewissen Ausführungen kann, wie erwähnt, sogar auf den Eisenkern gänzlich verzichtet werden.

Die Erfindung läßt sich,.wie beschrieben, bei einer Einphasenanordnung und ebensogut auch bei Mehrphasenanordnungen verwenden. Auch sind verschiedene Abweichungen gegenüber den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich. Vor allem kann die Erfindung auch bei einem Abwärtstransformator benutzt werden 'oder es kann der Außenleiter als Primärwicklung dienen. Weiter brauchen nicht unbedingt die verschiedenen Wicklungsteile ganz gleichartig ausgeführt sein, sondern es genügt bereits, wenn, die zusammengehörigen Primär- und Sekundärwicklungsteile, z.B.68 und 70 bei Fig.8, weitgehend gleich sind.·

8 Patentansprüche • _ft 9 F^: *uren

Claims (5)

Schutzansprüche;

1. Transformator, dessen Primär- und Sekundärwicklungen gleiche Windungszahl und gleiche Leiterlängen "bei engster Uaehbarschaft der beiden Wieklungsleiter haben, indem diese ein koaxiales, voneinander isoliertes leiterpaar bzw. ein dureh eine Isolierschicht voneinander getrenntes paralleles Flaehleiterpaar bilden, das gemeinsam zur Spule gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wieklungsleiter aus supraleitendem Material, z.B. Niob bestehen.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadureh gekennzeichnet, daß der aus Primär- und Sekundärwicklungen sowie gegebenenfalls einem Eisenkern bestehende aktive Transformatorteil in einem extrem tiefe Temperaturen in seinem Innern aufweisenden Metallbehälter vorzugsweise aus supraleitendem Material eingesetzt ist und daß der Behälter nach außen vorzugsweise mit einer zusätzlichem Wärmeabsehirmung versehen ist.

3. Transformator naeh Anspruch 1 und 2, dadureh gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen des Transformators in durch Anzapfisn erzeugte Wicklungsabschnitte zur Schaffung einer Kaskadenschaltung unterteilt sind, wobei jeweils vermittels Yerbindungsleitern (z.B.24, 26 -Pig.l) der eine Wieklungsleiter (z.B.16) mit dem anderen Wieklungsleiter (14) nach einer bestimmten Windungszahl verbunden ist und wobei der Anschluß am Außenleiter mit Hilfe von Verbindungssehellen (z.B. 21, 22) und der Anschluß am Innenleiter, z.B. durch Sehweißen, dureh eine im Außenleiter (16) und der Isolation (15) vorgesehene Bohrung (z.B.bei Punkt 25) vorgenommen ist und daß der Innenleiter- und Außenleiteransehluß jeweils benachbarter Wieklungsabsehnitte in unmittelbarer Mhe beieinander liegen.

4. Transformator naeh Anspruch 1 bis 3» dadureh gekennzeichnet, daß bei einer Kaskadenschaltung der Eingangsansehluß an den beiden Enden des ersten Wieklungsabsehnittes am Innenleiter

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ist, wobei der mit dem Wieklungsanfang verbundene Anschlußleiter geerdet ist und der Ausgang (28) am Ende des Außenleiters des letzten Wieklungsabsehnittes abgeht (lig.8).

5. Transformator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kaskadenschaltung der Eingang naeh zwei Wicklungsabschnitten angeschlossen ist und der Ausgang am Ende des Außenleiter des letzten Abschnittes abgeht (Pig.9).

Diese Unterlage (Bs-wd Stfratzcmspr.) ist die zuietzf eingereichte; sie weicht von 4er Wo* Mti? *W
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ι zu den üblichan Preisen geliefert, Deutsches Patentamt, G

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