DE19717554A1 - Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit koaxialer Wicklungsanord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur Schaffung eines Mittelfrequenz-Transformators für elektrische Schienenfahrzeu­ ge verwendet werden.

Aus IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31 No. 6, Novem­ ber/December 1995, S. 1257-1263 ist ein Koaxialtransformator für Mittelfrequenz- Anwendungen bekannt, wobei eine Segmentierung von innerem und äußerem Koa­ xialleiter vorgeschlagen wird. Die Vorteile eines derartigen Koaxialtransformators liegen prinzipiell in der hohen Isolationsfähigkeit zwischen Primär- und Sekundär­ wicklung aufgrund der elektrischen Feldsymmetrie, in den extrem geringen Strom­ verdrängungseffekten aufgrund der magnetischen Feldsymmetrie, in der sehr gerin­ gen Streuinduktivität und im sehr geringen Leistungsgewicht. Hierdurch wird die An­ wendung des Transformators mit hohen Wechselspannungsfrequenzen im Mittelfre­ quenzbereich sowie die Anwendung für größere Leistungen von weit über 100 kW ermöglicht. Es können sehr geringe Leistungsdichten von unter 25 kW/kg (bei einer Frequenz von 20 kHz) erreicht werden.

Die vorgeschlagenen Koaxialtransformatoren mit segmentierter Wicklung bestehen durchgehend aus einer koaxialen Anordnung, die große fertigungstechnische Pro­ bleme aufwirft. Besonders wenn eine hohe Isolationsspannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung gewährleistet werden muß, ergibt sich eine komplizierte Ver­ gußtechnik für das vollständig von der äußeren Wicklung umschlossene Volumen. Eine Kühlung der inneren Wicklung erfordert Durchführungen durch die Koa­ xialanordnung, die die Feldsymmetrien deutlich stören. Die Vorteile der segmentier­ ten Wicklung gegenüber der nicht segmentierten Wicklung liegen in einer besseren Ausnutzung des Wicklungsfensters für Windungszahlen größer als eins und in ei­ nem beliebig wählbaren Übersetzungsverhältnis für den Transformator.

Verwendet man keine segmentierte Wicklung, kann für die Wicklung im einfachsten Fall ein Koaxialkabel verwendet werden. Damit sind jedoch nur sehr kleine Überset­ zungsverhältnisse möglich, wie beispielsweise 1 : 1,1 : 2. Bei mittleren und höheren Leistungen entstehen Kühlungsprobleme für die Wicklung, da bei geforderten klei­ nen Biegeradien für das Kabel eine koaxiale Wasserkühlung im Koaxialkabel aus­ scheidet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator mit koaxialer Wick­ lungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, der fertigungstechnisch einfach herstellbar ist und sehr gute elektrische Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der große Vorteil der vorgeschlagenen Verbindungstechnik besteht darin, daß die durch den Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung und planarer Verbin­ dungstechnik prinzipiell erzielbaren Feldsymmetrien durch die an den Transfor­ matorköpfen" eingesetzte Verbindungstechnik nicht gestört werden. Da die vorge­ schlagenen Planarverbinder ähnlich gute Hochfrequenzeigenschaften wie die koa­ xialen Wicklungsanordnungen aufweisen, bleiben alle Vorteile des Koaxialtransfor­ mators - wie hohe Isolationsfestigkeit durch elektrische Feldsymmetrie, extrem ge­ ringe Stromverdrängungseffekte durch magnetische Feldsymmetrie, sehr geringe Streuinduktivität und sehr geringes Leistungsgewicht - erhalten.

Der vorgeschlagene, mit planarer Verbindungstechnik versehene Koaxialtransforma­ tor ist bei Leistungen bis 500 kW MF-tauglich (MF = Mittelfrequenz). Er eignet sich hervorragend für resonante Gleichspannungswandler hoher Leistung, die eine ge­ ringe Streuinduktivität erfordern. Das Leistungsgewicht liegt unter 10 kW/kg bei ei­ ner Frequenz von 8 kHz. Es ist eine einfache und effektive Kühlung der Wicklung durch Verwendung der inneren Koaxialleiter - die mittels der Durchführungen durch die Planarverbinder sehr leicht zugänglich sind - als Kühlkanal möglich. In der inne­ ren Wicklung, d. h. im inneren Koaxialleiter, entsteht der größte Teil der Wicklungs­ verluste, da für diese Wicklung weniger Leiterquerschnitt zur Verfügung steht als für die äußere Wicklung, d. h. den äußeren Koaxialleiter. Für eine Hochspannungsiso­ lation läßt sich das durch die seitlich offenen Planarverbinder leicht zugängliche Volumen zwischen Primär- und Sekundärwicklung einfach mit Isolationsmaterial vergießen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Sicht auf die Oberseite eines Koaxialtransformators,

Fig. 2 die Sicht auf die Unterseite eines Koaxialtransformators,

Fig. 3 einen Planarverbinder (Doppelstreifenleitung) für den Koaxialtransforma­ tor,

Fig. 4 die Sicht auf die Oberseite eines alternativ ausgebildeten Koaxialtrans­ formators (erste Variante),

Fig. 5 die Sicht auf die Unterseite eines alternativ ausgebildeten Koaxialtrans­ formators (erste Variante),

Fig. 6 die Seitenansicht eines Koaxialtransformators (erste Variante),

Fig. 7 eine Sicht auf und einen seitlichen Schnitt durch einen Koaxialtransforma­ tor mit segmentierter Wicklung (zweite Variante),

Fig. 8 äußere und innere Verbindungsschiene der Planarverbinder eines seg­ mentierten Koaxialtransformators (zweite Variante).

In Fig. 1 ist die Sicht auf die Oberseite eines nicht segmentierten Koaxialtransforma­ tors dargestellt. Der Koaxialtransformator 1 weist eine Vielzahl von einzelnen, paral­ lel nebeneinander angeordneten koaxialen Wicklungsanordnungen 2 auf. Die Win­ dungszahl w ist eins. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins. Jede koaxiale Wicklungsanordnung 2 besitzt einen inneren Koaxialleiter 3 und einen äu­ ßeren Koaxialleiter 4. Die inneren Koaxialleiter 3 und äußeren Koaxialleiter 4 von zwei benachbarten koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über eine Planarver­ binder 6 miteinander verbunden, wobei jedoch zwei koaxiale Wicklungsanordnungen 2 nicht mit derartigen Planarverbindern 6 beschaltet sind, sondern zur Bildung von Primärwicklungsanschlüssen 13 und Sekundärwicklungsanschlüssen 14 dienen. Die Primärwicklungsanschlüsse 13 sind mit den äußeren Koaxialleitern 4 und die Se­ kundärwicklungsanschlüsse 14 mit den inneren Koaxialleitern 3 verbunden. Die je­ weils zwischen den koaxialen Wicklungsanordnungen 2 befindlichen und diese um­ schließenden Eisenkerne (Stapel von Ringkernen) sind mit Ziffer 5 bezeichnet.

In Fig. 2 ist die Sicht auf die Unterseite des Koaxialtransformators 1 dargestellt. Es sind insbesondere die jeweils zwei benachbarte koaxiale Wicklungsanordnungen miteinander verbindenden Planarverbinder 6 zu erkennen.

In Fig. 3 ist ein Planarverbinder für den Koaxialtransformator dargestellt, und zwar im linken Bildabschnitt eine Sicht auf die Unterseite, im rechten Bildabschnitt eine Sicht auf die Oberseite und im mittleren Bildabschnitt ein seitlicher Querschnitt. Wie aus dem mittleren Bildabschnitt hervorgeht, weist der Planarverbinder 6 eine äußere Verbindungsschiene 7 und eine innere Verbindungsschiene 8 auf, wobei die äußere Verbindungsschiene 7 über eine Verbindungsstelle (Flansch) 9 mit dem inneren Koaxialleiter 3 und die innere Verbindungsschiene 8 über einen Verbindungsflansch 10 mit dem äußeren Koaxialleiter 4 verbunden ist. Die Verbindungen erfolgen vor­ zugsweise über Hülsen (Flansche), welche beispielsweise mit den Koaxialleitern verlötet und mit den Verbindungsschienen verschraubt sind. Für die Durchführung der inneren Koaxialleiter 3 zur äußeren Verbindungsschiene 7 sind die inneren Verbindungsschienen 8 mit Durchbrüchen 11 versehen. Um örtliche Feldstärkeerhö­ hungen zu verhindern, sind die Verbindungsflansche 10 kegelförmig und die Kanten der äußeren Verbindungsschiene 7 und der inneren Verbindungsschiene 8 jeweils als Rundkanten 12 ausgebildet. Als Material für die Verbindungsschienen dient bei­ spielsweise Kupfer oder Aluminium.

Die Sicht auf die Unterseite im linken Bildabschnitt der Fig. 3 zeigt die innere Ver­ bindungsschiene 8 mit den Durchbrüchen 11. Die inneren und äußeren Koaxialleiter 3, 4 sind noch nicht befestigt. Die Sicht auf die Oberseite im rechten Bildabschnitt zeigt die äußere Verbindungsschiene 7. Die inneren und äußeren Koaxialleiter 3, 4 sind ebenfalls noch nicht befestigt.

Eine vereinfachte Ausführungsform eines Planarverbinders (Doppelstreifenleitung) ergibt sich durch Verwendung von doppelseitigen Platinenlayouts, welche bei kleine­ ren Strombelastungen bis zu wenigen 100 A Verwendung finden können. Zur Ver­ meidung von örtlichen Feldstärkeüberhöhungen können die äußeren Koaxialleiter 4 an den Verbindungsstellen kegelförmig aufgeweitet werden.

In Fig. 4 ist die Sicht auf die Oberseite eines alternativ ausgebildeten, ebenfalls nicht segmentierten Koaxialtransformators (erste Variante) dargestellt. Bei diesem Koaxialtransformator 1' sind die koaxialen Wicklungsanordnungen 2 in zwei paralle­ len, einander gegenüberliegenden Reihen angeordnet, wobei in jeder Reihe eine Vielzahl von koaxialen Wicklungsanordnungen 2 parallel nebeneinander liegt. Jede Reihe ist von einem Eisenkern 15, 16 umschlossen. Die beiden am Ende jeder Rei­ he angeordneten, sich diagonal gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanord­ nungen 2 dienen zur Bildung von Primärwicklungsanschlüssen und Sekundärwick­ lungsanschlüssen und sind deshalb nicht mit Planarverbindern verbunden. Die wei­ teren, sich jeweils schräg gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über Planarverbinder 6 miteinander verbunden. Die Windungszahl w ist neun. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins.

In Fig. 5 ist die Sicht auf die Unterseite des alternativ ausgebildeten Koaxialtrans­ formators 1' (erste Variante) dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind die jeweils sich direkt gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanordnungen 2 der beiden Reihen über Planarverbinder 6 miteinander verbunden.

In Fig. 6 ist die Seitenansicht des Koaxialtransformators 1' (erste Variante) darge­ stellt. Es sind die beiden Eisenkerne 15, 16 zu erkennen, welche die beiden Reihen mit den koaxialen Wicklungsanordnungen 2 umschließen. Die inneren Koaxialleiter 3 und äußeren Koaxialleiter 4 der koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über die äußeren Verbindungsschienen 7 und inneren Verbindungsschienen 8 der Planar­ verbinder 6 verbunden. Dabei sind jeweils benachbarte Planarverbinder vorzugs­ weise vertikal versetzt angeordnet.

In Fig. 7 ist im oberen Bildabschnitt eine Sicht (in Schnittdarstellung) auf und im un­ teren Bildabschnitt ein seitlicher Schnitt durch einen Koaxialtransformator 1'' mit segmentierter Wicklungsanordnung (zweite Variante) dargestellt. Bei dieser Ausfüh­ rungsform sind sowohl der innere Koaxialleiter 3'' als auch der äußere Koaxialleiter 4'' aus mehreren einzelnen Segmenten 22 zusammengesetzt. Im Ausführungsbei­ spiel sind für beide Koaxialleiter je vier Segmente vorhanden. Die Windungszahl w ist vier. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins. Durch eine unter­ schiedliche Anzahl von Segmenten im inneren und äußeren Koaxialleiter (d. h. in Primär- und Sekundärwicklung) lassen sich beliebige rationale Übersetzungsver­ hältnisse ü wählen (beispielsweise ü = 7 : 8, ü = 1 : 3, ü = 12 : 1). Wie im oberen Bildab­ schnitt zu erkennen ist, weist der Koaxialtransformator 1'' zwei parallel nebeneinan­ der angeordnete koaxiale Wicklungsanordnungen 2'' auf, wobei jede dieser Wick­ lungsanordnungen von einem Eisenkern 17, 18 (vorzugsweise Ringkerne) um­ schlossen ist, wobei die Segmente um 45° versetzt sind, was die Anschlußtechnik über die Planarverbinder erleichtert. Zwischen den beiden Koaxialleitern 3'', 4'' ist jeweils eine elektrische Isolation 19 eingebracht. Die inneren Mantelflächen der in­ neren Koaxialleiter 3'' sind mit einer elektrischen Isolation 21 versehen, wodurch die Innenkanäle dieser inneren Koaxialleiter als Kühlkanäle 20 unter Verwendung von Brauchwasser als Kühlmittel verwendbar sind. Die zwischen beiden Eisenkernen 17, 18 erkennbaren schwarzen Flächen stellen einen Abschnitt einer Verbindungsschie­ ne eines Planarverbinders dar.

Die Schnittdarstellung im unteren Bildabschnitt der Fig. 7 zeigt insbesondere die Verbindung der beiden koaxialen Wicklungsanordnungen mit den Verbindungs­ schienen eines Planarverbinders 6''. Die Segmente der äußeren Koaxialleiter 4'' sind über Verbindungsstellen 10'' mit den Strompfaden der inneren Verbindungs­ schiene 8'' verbunden. Besteht die Anforderung einer hohen Isolationsspannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, kann die Verbindungsstelle 10'' (wie auch die Verbindungsstelle 10 in Fig. 3) kegelförmig ausgebildet werden, um lokale elek­ trische Feldstärkeerhöhungen zu vermeiden. Desgleichen sind die Segmente der inneren Koaxialleiter 3'' über Verbindungsstellen 9'' mit den Strompfaden der äuße­ ren Verbindungsschiene 7'' verbunden. Zwischen den Verbindungsschienen 7'', 8'' und zwischen den einzelnen Strompfaden jeder Verbindungsschiene sowie zwi­ schen inneren und äußeren Koaxialleitern ist eine elektrische Isolation 24 vorgese­ hen, die durch Vergießen des über die seitlich offenen Planarverbinder leicht zu­ gänglichen Volumens eingebracht werden kann. Die Kühlkanäle 20 mit der elektri­ schen Isolation 21 an den Mantelflächen der inneren Koaxialleiter sowie die Eisen­ kerne 17, 18 sind in der Schnittdarstellung gut erkennbar. Die Kühlkanäle 20 können mit (nicht dargestellten) Anschlußstutzen versehen sein, um einen Kühlflüssigkeits- Kreislauf durch den Koaxialtransformator zu erzielen und um damit die im Koaxial­ transformator produzierte Wärmeenergie in einen externen Rückkühler zu transpor­ tieren.

In Fig. 8 sind im linken Bildabschnitt eine äußere Verbindungsschiene 7'' und im rechten Bildabschnitt eine innere Verbindungsschiene 8'' der Planarverbinder 6'' eines segmentierten Koaxialtransformators (zweite Variante) dargestellt. Wie zu er­ kennen ist, weist jede Verbindungsschiene mehrere Strompfade 23 für die Verbin­ dung mit den einzelnen Segmenten 22 der Koaxialleiter auf. Da im Ausführungsbei­ spiel jeder Koaxialleiter in vier Segmente unterteilt ist, sind vier Strompfade je Ver­ bindungsschiene vorgesehen. Zur Bildung der Wicklungsanschlüsse ist dabei ein Strompfad aufgetrennt und die beiden Teilstücke sind mit elektrischen Anschüssen versehen. Im linken Bildabschnitt der Fig. 8 sind beispielhaft die hierdurch erhalte­ nen Sekundärwicklungsanschlüsse 14 gezeigt.

Die Drehung der segmentierten Wicklungsanordnungen um 45° erlaubt die Verwen­ dung eines spiegelsymmetrischen Planarverbinders für die gegenüberliegende Sei­ te, wobei hier ein Strompfad der inneren Verbindungsschiene 8'' zur Bildung der Wicklungsanschlüsse der beispielhaft primären Wicklung aufgetrennt ist.

Es ist selbstverständlich, daß die in den einzelnen Ausführungsformen beschriebe­ nen Techniken - wie beispielsweise die Kühltechnik oder die Konstruktion der Planarverbinder - nicht auf die jeweils spezielle Ausführungsform beschränkt sind, sondern auch bei den weiteren behandelten Ausführungsformen eingesetzt werden können. So sind beispielsweise auch die inneren Koaxialleiter der Koaxialtransfor­ matoren gemäß den Fig. 1, 2, 4 bis 6 als Kühlkanäle verwendbar. Durch geeignete, gekrümmte Rohrverbinder werden die nebeneinander angeordneten inneren Koa­ xialleiter miteinander verbunden, wodurch eine durchgehende Kühlmittelleitung mit einem Zufuhrstutzen und einem Abfuhrstutzen entsteht. Desgleichen sind die Koa­ xialtransformatoren gemäß den Fig. 1, 2, 4 bis 6 selbstverständlich auch segmen­ tierbar.

Claims (10)

1. Transformator mit mindestens zwei parallel nebeneinander angeordneten koaxialen Wicklungsanordnungen (2, 2''), jeweils bestehend aus einem inneren Koaxialleiter (3, 3'') und einem äußeren Koaxialleiter (4, 4''), dadurch gekennzeich­ net, daß die koaxialen Wicklungsanordnungen (2, 2'') über mindestens einen Planarverbinder (6, 6'') miteinander verbunden sind, wobei der Planarverbinder eine äußere Verbindungsschiene (7, 7'') zur Verbindung mit dem inneren Koaxialleiter (3, 3'') und eine innere Verbindungsschiene (8, 8'') zur Verbindung mit dem äußeren Koaxialleiter (4, 4'') aufweist und die innere Verbindungsschiene (8, 8'') Durchbrü­ che (11) zur Durchführung der inneren Koaxialleiter (3, 3'') aufweist.

2. Koaxialtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Verbindungsschienen (7, 7'', 8, 8'') als Rundkanten (12) ausgebildet sind.

3. Koaxialtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Koaxialleiter (3, 3'', 4, 4'') an der Verbindungsstelle (10, 10'') zu den Verbindungsschienen (8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') einen kegelförmigen Übergang aufweisen.

4. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektrische Isolation (24) zwischen den Verbindungsschienen (7, 7'', 8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') eingebracht ist.

5. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die inneren Koaxialleiter (3, 3'') gleichzeitig Kühlkanäle (20) sind.

6. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenflächen der inneren Koaxialleiter (3, 3'') mit einer elektri­ schen Isolation (21) beschichtet sind.

7. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die inneren Koaxialleiter (3, 3'') und/oder die äußeren Koaxialleiter (4, 4'') aus mehreren, voneinander elektrisch isolierten Segmenten (22) aufgebaut sind.

8. Koaxialtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Verbindungsschiene (7, 7'') und/oder die innere Verbindungsschiene (8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') aus mehreren, voneinander elektrisch isolierten Strompfaden (23) aufgebaut ist, welche mit den einzelnen Segmenten (22) der Koa­ xialleiter verbunden sind.

9. Koaxialtransformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strompfad (23) in zwei Abschnitte unterteilt ist, um Primärwick­ lungsanschlüsse (13) oder Sekundärwicklungsanschlüsse (14) zu bilden.

10. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine elektrische Isolation (19) zwischen innerem und äußerem Koaxialleiter (3, 3'', 4, 4'') eingebracht ist.