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'Wicklungsanordnung für Transformatoren und dergl. mit zwei oder mehr
koaxialen Wicklungen" Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für Transformatoren
und dergl. mit zwei oder mehr koaxialen Wicklungen, die in sich ausreichend starr
sind und im Hinblick auf die Auswirkung der elektrodynamiachen Kräfte innerhalb
der Wicklungsanordnung als starre Körper angesehen werden können. Der Idealzustand
einer solchen Wicklung ist z03. durch einen ausreichend bemessenen
Gießharz-Ver-
und Umguß heutzutage ohne weiteres erreichbar.
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Nun wirken bekanntlich zwischen zwei stromdurchfloe3senen Leitern
elektromagnetische Kräfte, die bei gleichsinniger Stromrichtung die Leiter zusammenzurücken
versuchen, bei gegensinniger Stromrichtung die Leiter auseinanderdrücken. In einem
Verband von vielen stromdurchflossenen Leitern, wie er in einer Wicklung gegeben
ist, wird von der Anzahl der Ampèrewindungen gesprochen. Bei zwei elektromagnetisch
miteinander verkoppelten Wicklungen, wie sie im Transformator vorhanden sind, von
denen eine die Energie aus dem Netz aufnimmt, und die andere an ein weiteres Netz
abgibt, ist die Summe der Amperewindungen in der einen Wicklung entgegengerichtet
der Summe der Amperewindungen der anderen Wicklung, d.h. es treten zwischen beiden
Wicklungen abstoßende Kräfte auf. Diese Kräfte sind proportional dem Quadrat des
Stromes. Tritt im Netz ein Kurzschluß auf, fließen durch die Wicklungen des Transformators
die entsprechenden Kurzschlußströme, die um Größenordnungen größer sein können als
die Nennströme, so daß durch die dabei auftretenden elektromagnetischen Kräfte der
mechanische Zusammenhalt der Wicklungen auf das Höchste gefährdet ist und sie die
Zerstörung des Transformators verursachen können.
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Die auftretenden elektromagnetischen Kräfte können in axiale und radiale
Komponenten zerlegt werden. Die Erfindung wendet sich der Beherrschung der axialen
Kräfte zu. Die axialen Kräfte werden innerhalb und außerhalb der Wicklung wirksam.
Die inneren Kräfte wirken innerhalb der Wicklung auf die einzelnen Leiter, die äußeren
Kräfte wirken auf die Preßkonstruktion. Bei elastischen Spulen ist eine ausreichende
Vorspannung über die Preßkonstruktion erforderlich, um eine Zerstörung der Wicklung
zu vermeiden.
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Bei starren Spulen, die in der Lage sind, die inneren Kräfte in sich
selbst aufzunehmen, wie z.B. bei mit Gießharz vergossenen Spulen, braucht nur der
äußeren Kraft Beachtung geschenkt zu werden. Bei z.B.-zwei symmetrisch aufgebauten
Wicklungen (zig. 1) treten ohne Fertigungaunsymmetrie keine äußeren Kräfte auf.
Wegen der praktisch unvermeidlichen Fertigungsunaymmetrie muß Jedoch mit dem Auftreten
äußerer Kräfte gerechnet werden, deren Richtung im voraus unbekannt ist. Zum Abfangen
dieser Kräfte könnte eine starre Spule ohne Vorspannung eingebaut werden. Hierzu
wäre nur eine feste und starre Auflage oben und unten erforderlich. Das ganze System
aus Spule, Abstützklötzen, Preßeisen und Zuganker müßte hierbei absolut starr sein.-
Die
Wärmedehnung der unelastischen Spule läßt jedoch eine starre Preßkonstruktion nicht
zu, es müssen elastische Teile eingebaut werden, die die Wärmedehnung aufnehmen.
Als Folge des deshalb unvermeidlichen Einbaues von elastischen Teilen muß die Spule
nun doch mit entsprechender Vorspannung eingebaut werden.
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Um diese Forderung zu erfüllen, d.h. bei mehreren konzentrischen Wicklungen
die Vorpreßkräfte exakt auf die einzelnen Spulen zu verteilen, sowie axiale Längenunsymmetrie
weitgehenst zu vermeiden oder zu kompensieren, wurden schon viele zeitraubende und
aufwendige Konstruktionen und Maßnahmen angewendet.
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Ganz wesentliche.Einsparungen lassen sich bei einer Wicklungsanordnung
für Transformatoren und dergl. mit zwei oder mehr koaxialen Wicklungen erfindungsgemäß
dadurch erzielen, daß durch eine definierte Unsymmetrie infolge axialer Versetzung
der Ampbewindungsschwerpunkte der Wicklungen gegeneinander die Richtung der axialen
Stromkräfte festgelegt und die Abstützung mindestens einer der Wicklungen nur an
einem axialen Ende erforderlich ist.
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Werden alRo gemäß der Erfindung die Amprewindungsschwerpunkte der
beiden Wicklungen so weit axial
gegeneinander verschoben, daß selbst
bei den größtmöglichen Fertigungsunsymmetrien die beiden Spulen sich nur in einer
bestimmten, vorher festgelegten Richtung zu verschieben trachten, so genügt nur
eine einseitige Abstützung mindestens einer Spule an der Seite der Kraftrichtung
wie in Fig. 2 dargestellt. Aufwendige Vorspann- und Ausgleichselemente, wie Druckschrauben,
Federn, Federführung, Wippen und dergl., entfallen. Weiter wird die Schweißarbeit
kleiner. Nach Fig. 2 genügt es, die OS zentrisch zur US auf den Abstützklotz aufzusetzen.
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Hand der anliegenden Zeichnung wird die Erfindung ünd ihre Wirkungsweise
näher erläutert: In Fig. 1 sind die äußeren Axialkräfte Fs1 und Fs2, die durch Fertigungsunsymmetrien
entstehen, dem Betrag nach gleich groß, also Fs1 = F52 = F5 . Bei der in Fig. 1
angegebenen Kraftrichtung muß die mit US bezeichnete Wicklung mit Fvi = F5 verspannt
werden, damit im Kurzschlußfall kein Abheben der Spule auftreten kann. Wenn Fs1
und Fß,2 dem Betrag nach gleich-groß sind, aber entgegengesetzte Richtung haben,
dann muß die OS mit Fv2 = Fs2 verspannt werden. Da unbekannt ist, in-welcher Richtung
die Kräfte infolge fabrikatorischer Unsymmetrie schließlich wirken, müssen beide
Wicklungen mit Fvi bzw. Fv2 = 2Fv verspannt werden.
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Um bei der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 2 nun ein Abheben
der Os-Wicklung durch Kurzschluß kräfte zu vermeiden, ist eine Wicklungsverkürzung
in Richtung der axialen Kraft F5 erforderlich. In Richtung der Abstützklötze wirken
Kräfte somit von 0 bis 2 x F5, je nach der Größe der Unsymmetrie. In entgegengesetzter
Richtung müssen die Kräfte # 0 sein.
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Die Preßkonstruktion eines Drehstromtransformators ist bei der herkömmlichen
Bauweise bei einer Vorspannung von 2 x Fv pro Schenkel mit insgesamt 3 x 2 x Fv
= 6 Fv belastet. Wenn bei der Ausführung nach der Erfindung keine Vorspannkraft
notwendig wird und sich die äußeren axialen Kräfte auf maximal 2 x FS erhöhen, dann
braucht die Preßkonstruktion für die z.B. meist gebrauchte Schaltung Dy nur 3 x
Fs aufzunehmen, was für den ungünstigsten Fall des 2- oder 3- phasigen Kurzschlusses
gilt. Bei 3- phasigem Kurzschluß tritt die maximale Kurzschlußkraft F5 nur in einem
Schenkel auf. Bei 2- phasigem Kurzschluß geht die Kurzschlußkraft pro Schenkel auf
75% zurück. Demnach kann bei Anwendung der Erfindung die Preßkonstruktion um 50
% geschwächt werden. Aus konstruktiven Gründen kann die mögliche Reduzierung der
Preßkonstruktion nicht voll ausgenutzt werden. Diese Reserve kann genützt werden,
um die zulässigen Spulenlängentoleranzen zu vergrößern, was wieder andere weitergehende
Einsparungen zur Polge hat.
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Nun-hat man infolge der Gießharztechnik die PIöglichkeit, die Wicklungen
in sich starr und stabil herzustellen, so daß eine Wicklung praktisch wie eine Windung
gehandhabt werden kanr Bei der Ausführung einer Wicklung aus einem relativ starken
Leiterquerschnitt, insbesondere Rechteckdraht, kann zur Erzielung einer ausreichenden
inneren Festigkeit schon ein Verkleben, Einstreichen oder Tränken mit Lack o.ä.
ausreichen oder auch eine axiale Verspannung mit einem Isolierstoffband, z.B. einem
kunstkarzgebrandtem Glasseidenband.
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Wird nun eine solche in sich starre Wicklung erfindungsgemäß nur an
einem axialen Ende abgestützt, und dabei die Ampèrewindungsschwerpunkte der miteinander
verkoppelten Wicklungen in Richtung der axialen Abstützung gegeneinander axial-exzentrisch
versetzt, so kann auf das zeitaufwendige und penible genaue Verteilen der axialen
Preßkräfte auf die verkoppelten Wicklungen verzichtet werden, da die auftretenden
Kurzschlußkräfte nur in einer Richtung wirken können, nämlich gegen die Abstützung
der einseitig-abgestützten und aus der Mitte versetzten Wicklung.
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Können beide Wicklungen als genügend starr betrachtet werden, so können
sie beide auch nur einseitig a-bgestützt werden, und zwar wie es Fig. 3' zeigt1
an entgegengesetzten Enden, wobei wiederum die Ampèrewindungsschwerpunkte
der
beiden Wicklungen zu den abgestützten Enden hin verschoben werden müssen, so daß
die auftretenden Kurzschlußkräfte die Wicklungen nur gegen ihre Abstützungen pressen.
Durch Pfeile sind Kräfte angedeutet, die gegen den Zylinder der inneren Spule infolge
der erwähnten Verkeilung gegen den Kern wirken.
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Um ein kurzschlußkräftebedingtea Rütteln und Schlagen der Wicklungen
zu verhindern, müssen die Wicklungen an ihren Abstützungen anliegen und spätestens
nach dem ersten Anschlagen festgehalten werden. Bei üblicherweise senkrecht angeordneten
Wicklungen wird die normalerweise auch aus stärkerem Leiter gewickelte innen liegende
Unterspannungswicklung mit oben liegender Abstützung so mit dem Kern verkeilt, daß
sie entgegen der Schwerkraft durch die Reibungskräfte in der Verkeilung an der oben
liegenden Abstützung aufgehalten wird. Die Abstützung der weiter außen liegenden
Wicklungen liegt dann unten, auf die sie durch die Schwerkraft angepreßt werden.
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Ist die am Kern liegende Wicklung eine Röhrenspule, dann treten an
den Wicklungen Drehmomente auf, die die Spule senkrecht zur Spulenachse zu drehen
versuchen, was bei der Verschiebung der axialen Ampdrewindungsschwerpunkte
berücksichtigt
werden muß. Um die Verschiebung bei großen Windungssteigungen klein zu halten, ist,
es zweckmäßig, die außen liegende Spule, mindestens ihren freien Rand, zur am Kern
liegenden Spule zu zentrieren, wie z.B. durch die radiale Abstützung in Fig. 4 gezeigt
ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung können große konstruktive und Montageaufwendungen
gespart werden, die notwendig waren, um trotz auftretender Längentoleranzen Amperewindungsunsymme.trien
weitgehenst zu vermeiden und auf jede Wicklung die ihr zukommende vorberechnete
Vorpreßkraft zur Kompensation der Stromkräfte aufbringen zu können.