DE19615352A1

DE19615352A1 - Three=phase toroidal core for transformers or chokes

Info

Publication number: DE19615352A1
Application number: DE19615352A
Authority: DE
Inventors: Arno Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1996-10-24

Abstract

The three-phase AC device is for use with transformers and inductances i.e. chokes, and has a ring core element that is formed by three ferrite stages (1.1-1.3). The stages are curved and have lines of contact (1.4) set at 120 degrees intervals. The windings (2) are set around the tip sections and set at the centre is a yoke element (1.5). The ferrite stages are produced from grain orientated silicon ferrite strip material that is subjected to a forming process to create the curved shape.

Description

Die Erfindung beschreibt eine am üblichen Dreiphasen-Drehstromnetz zu betrei bende Einrichtung für Transformatoren bzw. Drosseln, die aus einzelnen Ringker nen aufgebaut ist.The invention describes to operate on the usual three-phase three-phase network bende device for transformers or chokes, consisting of individual ring core NEN is built.

Der Zweck derartiger Transformatoren ist, die elektrische Energieübertragung un ter Umwandlung dreiphasig verketteter Spannungen und Ströme zu höheren oder niedrigeren, entsprechend gängiger Schaltgruppen ähnlich verketteter Spannun gen und Ströme zu ermöglichen. Desweiteren stellt eine Ausgestaltung als Drossel oder Spartransformator, d. h. als Transformator mit nur einer ausgeführten Wick lung pro Phase, ein wesentliches Bauteil der Energietechnik dar.The purpose of such transformers is un electrical power transmission The conversion of three-phase chained voltages and currents to higher or lower, similarly chained voltage corresponding to common switching groups conditions and currents. Furthermore, it is designed as a throttle or autotransformer, d. H. as a transformer with only one winding per phase, an essential component of energy technology.

Eingesetzt werden diese Transformatoren und Drosseln zu Verteilzwecken, zur galvanischen Trennung, zur Gleichstromerzeugung im Verbund mit Gleichrichtern, zur Kompensation von Leitungskapazitäten und zu vielen anderen allgemeinen Versorgungs- und Betriebsaufgaben, die zusammen ein extrem breitgefächertes Anwendungsfeld ergeben.These transformers and chokes are used for distribution purposes galvanic isolation, for direct current generation in combination with rectifiers, to compensate for line capacities and to many other general Supply and operational tasks that together make up an extremely wide range Field of application.

Der Stand der Technik kennt solche Transformatoren und Drosseln seit langer Zeit vornehmlich in sog. Drei- und Fünfschenkelkernausführung. Andere, aufwendigere Bauformen wie z. B. die "Tempelbauform" finden aufgrund der komplizierten Her stellung und nur geringen Vorteilen kaum Verwendung. Eine modernere Bauform aus sog. Schnittbandkernen mit verbessertem Leistungsgewicht findet z.Zt. zöger lich den Weg in den Markt.The prior art has known such transformers and chokes for a long time primarily in so-called three and five-legged core versions. Other, more elaborate Designs such. B. find the "temple shape" due to the complicated Her position and only slight advantages. A more modern design So-called cut tape cores with an improved power-to-weight ratio are currently hesitant way into the market.

All diesen Ausführungen gemeinsam ist das auf eine definierte Leistung, die sog. Nennleistung, bezogene relativ hohe Gewicht durch die vergleichsweise schlechte Ausnutzung des verwendeten Kernmaterials, die hohe magnetische Streuung bei Drei- und Fünfschenkelkernen speziell an den Kanten und der aufwendigen An schaltung z. B. bei Hochstromtransformatoren. Außerdem fehlt die Möglichkeit die Parameter des Magnetkreises während des Betriebes zu ändern.Common to all of these designs is a defined performance, the so-called Rated power, relatively high weight due to the comparatively poor Utilization of the core material used, the high magnetic scatter Three- and five-legged cores especially on the edges and the elaborate type circuit z. B. in high-current transformers. In addition, the possibility is missing Change parameters of the magnetic circuit during operation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, durch wesentlich bessere Ausnutzung des Transfor matoreisens, Verringerung des Streufeldes und günstigeren Anschaltmöglichkeiten z. B. bei Hochstromanwendungen eine signifikante Gewichtsreduktion und eine Wirkungsgradverbesserung bei vergleichbaren übertragenen Leistungen zu bewir ken. Desweiteren soll sie über eine optionale Einrichtung die Möglichkeit eröffnen, die Parameter des magnetischen Kreises zu ändern, was bei herkömmlicher Aus führung praktisch nicht oder nur mit extremen Aufwand realisierbar ist.It is an object of the invention by much better utilization of the Transfor matoreisens, reduction of the stray field and cheaper connection options e.g. B. in high-current applications a significant weight reduction and To improve efficiency with comparable transferred services ken. Furthermore, it should open up the possibility via an optional device to change the parameters of the magnetic circuit, what with conventional off leadership is practically impossible or can only be implemented with extreme effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Aufbau des Trans formators drei aus Trafoblech aufgewickelte Ringkerne gleichen Durchmessers verwendet werden. Jeder einzelne Kern wird über eine Durchmesserachse auf 120° abgewinkelt und die so entstandenen 120°-Kreiselemente derart gegeneinan der befestigt, daß jeweils zwei Außenflächen von benachbarten Kernen gegenein anderliegen. So entsteht ein Sphäroid mit drei halbkreisförmigen Bögen bzw. Schenkeln, die ähnlich bewickelt werden können wie ein normaler, ebener Ringkern. Es sind dabei auch asymmetrische Bauformen durch unterschiedliche Durchbiegungen vorstellbar, wenngleich nicht so günstig (z. B. ein ebener Ringkern und zwei um 90° Abgewinkelte). Allerdings läßt sich so einer bestimmten Gehäuse form folgen oder ein Großteil der Masse abstützen. Optional kann über ein zentral angeordnetes Joch von Pol zu Pol eine Gleich- oder Wechselflußabsättigung der drei Hauptschenkel erfolgen und so deren magnetisches Verhalten verändern. Die ses Joch kann auch unerregt bleiben und zur Aufnahme einer Streufeldkomponen te z. B. bei Schieflast dienen.This object is achieved in that the structure of the trans formators three toroidal cores of the same diameter wound from transformer sheet be used. Each individual core is based on a diameter axis Angled 120 ° and the resulting 120 ° circular elements against each other which attached that two outer surfaces of adjacent cores against each other otherwise. This creates a spheroid with three semicircular arches or Thighs that can be wrapped similarly to a normal, flat one Toroid. There are also asymmetrical designs due to different Deflections are conceivable, although not so cheap (e.g. a flat toroid and two angled by 90 °). However, it can be a certain housing follow form or support a large part of the mass. Optionally, a central arranged yoke from pole to pole a DC or AC saturation of the three main legs occur and thus change their magnetic behavior. The This yoke can also remain unexcited and to accommodate stray field components te z. B. serve at unbalanced load.

Ein Wickelautomat wie er für die Bewicklung von normalen Ringkernen Gebrauch findet hat dabei auf dem freistehenden Kreissegment (Schenkel) eine ähnliche Ar beitsfreiheit wie sonst, lediglich die Halterung des Kernes muß separat gelöst wer den. Für den so entstandenen Transformator bedeutet dies, daß sich für jeden Zweig der Dreiphasenwicklung annähernd gleiche Bedingungen ergeben wie bei einem getrennt angeordneten, einzelnen Ringkern allerdings mit dem Vorteil, daß ein Ring von zwei Phasen benutzt werden kann. Es ergeben sich auch hier die be kannten Vorteile wie maximale Induktion <2T, geringste Erregerfeldstärke und Leerlaufverluste von lediglich 10-15% eines "normalen" Transformators.An automatic winding machine like the one used for winding normal toroidal cores has a similar ar on the free-standing segment of the circle (leg) freedom of movement as usual, only the holder of the core has to be solved separately the. For the resulting transformer, this means that for everyone Branch of the three-phase winding result in approximately the same conditions as in a separately arranged, individual toroid with the advantage that a ring of two phases can be used. The be Known advantages such as maximum induction <2T, lowest excitation field strength and Idle losses of only 10-15% of a "normal" transformer.

Durch die Ausnutzung aller drei Dimensionen für den geometrischen Aufbau des Transformators ergibt sich hier ein äußerst günstiges Abmessungsverhältnis bei kompaktem Aufbau, wobei durchaus auch optisch reizvolle Gebilde entstehen. Die Einführung eines zentralen Joches wird durch die dreidimensionale Anordnung erst möglich.By using all three dimensions for the geometric structure of the The transformer has an extremely favorable dimension ratio compact structure, whereby visually attractive structures are also created. The The introduction of a central yoke is due to the three-dimensional arrangement only possible.

Für den technischen Anwendungsfall hat ein solch günstiger Aufbau erhebliche Konsequenzen; Die Trafomasse kann besonders bei mittlerer Leistungsklasse ge genüber herkömmlichen Dreiphasentransformatoren um bis zu 50% reduziert wer den, wodurch sich durch die Gewichtseinsparung Kostenvorteile ergeben. Außerdem wird die Handhabung deutlich verbessert. Die bei der Produktion bislang not wendige Schachtelung der Trafobleche wird durch die Ringkernbauform vermie den. Da das Transformatoreisen bis ca. 90% bewickelt werden kann (normale Transformatoren oft (50%), sind sowohl Streuverluste als auch das resultierende Streufeld äußerst gering, was sich z. B. hervorragend bei Audio- oder Meßanwen dungen ausnutzen läßt. Darüberhinaus läßt sich über den durchfluteten Eisenquer schnitt die Induktion und der Gesamtfluß wie gewohnt bestimmen und einstellen. Wie bei einem Ringkern üblich, verbessert das gänzliche Fehlen eines Luftspaltes die Güte des Eisenkreises erheblich.Such a favorable structure has considerable advantages for technical applications Consequences; The transformer mass can be used especially in the medium performance class compared to conventional three-phase transformers by up to 50% the, which results in cost advantages due to the weight saving. also handling is significantly improved. The so far necessary in the production agile nesting of the transformer sheets is avoided by the toroidal design the. Since the transformer iron can be wound up to approx. 90% (normal Transformers often (50%) are both wastage and the resulting Stray field extremely low, which z. B. excellent for audio or measurement applications uses can be exploited. In addition, the flooded iron cross cut and determine the induction and the total flow as usual. As is usual with a toroid, the complete absence of an air gap improves the quality of the iron circle considerably.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere in der stark verrin gerten Gesamtmasse pro Leistungseinheit, dem besseren Gesamtwirkungsgrad der Anordnung, den besseren Kühlbedingungen durch die außenliegenden Wick lungen, dem geringeren und kompakteren Bauvolumen, den geringeren Betriebs kosten, der wesentlich reduzierten Streuung und der Steuerbarkeit.The advantages that can be achieved with the invention are particularly reduced total mass per power unit, the better overall efficiency the arrangement, the better cooling conditions due to the external wick lungs, the smaller and more compact construction volume, the lower operation cost, the significantly reduced spread and controllability.

Wie man erkennen kann, ist der Dreiphasenringkern ein Gerät, das in der Lage ist, fast alle Parameter eines herkömmlichen Dreiphasen-Transformators / -Drossel deutlich zu verbessern, teilweise um bis zu 50%. Darüberhinaus sind alle entschei denden Parameter, vor allem die magnetischen, in allen drei Phasen symmetrisch was derzeit mit den gewöhnlichen Bauformen absolut nicht gegeben ist und teil weise über sehr teure und aufwendige Kompensationsmechanismen ausgeglichen werden muß (z.B Ausgleichswicklungen). Die sich aus diesem Umstand ergeben den Vorteile sind z. B. bei Hochspannungstrafos kaum abzusehen.As you can see, the three-phase toroid is a device that is able to almost all parameters of a conventional three-phase transformer / choke to improve significantly, sometimes by up to 50%. Furthermore, everyone is deciding end parameters, especially the magnetic, symmetrical in all three phases what is currently absolutely absent with the usual designs and partly balanced over very expensive and complex compensation mechanisms must be (e.g. compensating windings). Which result from this fact the advantages are e.g. B. with high voltage transformers hardly foreseeable.

Wie man in der Fig. 1 erkennt, besteht der Eisenkern aus drei einzelnen Kernele menten 1.1 bis 1.3. Dort wo sich jeweils zwei dieser Elemente berühren, an den Stellen 1.4, bilden sie jeweils das Kerneisen für die Wicklung 2, die nach her kömmlichen Parametern eines Ringkerntransformators aufgebaut ist, nur eben halbkreisförmig. Element 1.5 zeigt das optionale Mitteljoch.As can be seen in Fig. 1, the iron core consists of three individual Kernele elements 1.1 to 1.3 . Wherever two of these elements touch each other, at points 1.4 , they each form the core iron for the winding 2 , which is constructed according to conventional parameters of a toroidal core transformer, only in a semicircular shape. Element 1.5 shows the optional Mitteljoch.

Die Fig. 2 zeigt dementsprechend ein einzelnes Kernelement z. B. 1.1, das hier mit halbkreisförmigen Querschnitt ausgeführt ist. Fig. 2 shows correspondingly a single core element z. B. 1.1 , which is executed here with a semicircular cross section.

Die Fig. 3 schließlich zeigt ein Sinterelement, das dem beschriebenen Sphäroiden entspricht, jedoch an den Stellen 3.1 in geeigneter Weise mit einem kongruenten Gegenstück verbunden und wie in Fig. 1 mit der Wicklung 2 bewickelt werden kann. Finally, FIG. 3 shows a sintered element which corresponds to the spheroid described, but is connected in a suitable manner to a congruent counterpart at points 3.1 and can be wound with winding 2 as in FIG. 1.

Im Folgenden sind drei Ausführungsbeispiele beschrieben und es zeigen:Three exemplary embodiments are described below and show:

Fig. 1 Einen erfindungsgemäßen Transformator aus aufgewickeltem kornorientierten Siliziumeisenband Fig. 1 A transformer according to the invention from wound grain-oriented silicon iron strip

Fig. 2 Ein erfindungsgemäßes Ringkernelement einzeln Fig. 2 A ring core element according to the invention individually

Fig. 3 Einen erfindungsgemäßen Transformator als Hochfrequenz- oder Schaltinduktivität aus gesintertem oder ähnlich strukturiertem Material. Fig. 3 A transformer according to the invention as a high-frequency or switching inductor made of sintered or similarly structured material.

Claims

1. Three-phase toroid for transformers and chokes for operation on a conventional three-phase three-phase network, consisting of an iron core with at least three applied to the iron core, current-carrying windings gene, characterized in that three of grain-oriented silicon-iron tape or similar material wound ring cores, each of which has a deflection of 60 ° over a diameter axis, are brought together in such a way that the outer flat sides of the ring cores lie against one another and form a spheroid, the legs of which are angled at 120 ° and carry the windings.

2. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that the iron body of the spheroid leads the magnetic flux in all spatial coordinates in such a way that a The flow change angle does not fall below 120 °.

3. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that the individual toroids are one of Experience 60 ° deviating deflection, so that an asymmetrical sphere id arises.

4. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that the individual cores also others than the annular, preferably folding symmetrical contours.

5. Three-phase toroid for transformers and chokes after one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that the toroidal core elements not only rectangular but also semicircular or trapezoidal or similar Have cross-section, possibly also stepped.

6. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that the spheroid consists of at least two Parts of a, preferably symmetrical, magnetizable sintered body is formed, the congruent with arbitrary leg cross-section, preferred however, the circular cross-sectional shape lies against each other.

7. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that by working out or targeted Pressing out a zone preferably ge in the central field of the core is created, which can be flowed through by a coolant.

8. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or more reren of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that centrally in the arrangement a ma magnetic yoke is introduced, which the upper and lower pole of the spher roiden connects directly or through an air gap and that this yoke so is designed to absorb magnetic flux from the main legs or can bring into this.

9. Three-phase toroid for transformers and chokes according to claim 8 or Parts of it, characterized in that the yoke over one on the yoke applied, current-carrying additional winding or a permanent magnet table device is magnetically excited.

10. Three-phase toroid for transformers and chokes after one or several of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that inside the spheroid a Ro Tor is attached, which is able to absorb energy from the inner stray field take and convert it into a rotary motion around winged the An cool order.

11. Three-phase toroid for transformers and chokes after one or several of the aforementioned claims or parts thereof, characterized in that facilities are provided to the entire structure or parts thereof, preferably by one of the To cool the center of the spheroid outgoing coolant flow.

12. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or several of the preceding claims or parts thereof characterized in that facilities are provided to magnetically and / or electrically separate the structure from its surroundings shield.

13. Three-phase toroid for transformers and chokes according to one or several of the preceding claims or parts thereof characterized in that windings on the main legs made of electrically conductive wire, tape, strand or foil.