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Elektrische Gerätewlcklung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Gerätewicklung für einen
Transformator, eine Drossel oder einen supraleitenden Magneten, die insbesondere
zur Verbesserung der Kühlwirkung scheiben- oder schraubenförmig gewickelt ist.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer herkömmiichen schelbenf-)rmigen
Wicklung für ein elektrisches Gerät, wie z. B. einen Transformator, und Fig. 2 ist
ein Schnitt II-II in Fig. 1. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, hat die Transformatorwicklung
gewöhnlich mehrere Wicklungseinheiten 5 aus jeweils einem Drahtelement 4 senkrecht
übereinander zwischen einer Innenisolierhülse 2 und einer Außenisolierhülse 3, die
konzentrisch um die Außenmantelfläche eines Kernes 1 angeordnet sind. Zwischen benachbarten
Wicklungseinheiten 5 liegen sich horizontal erstreckende Kühlwege (im folgenden
als Eorizontal-K-Uhlwege bezeichnet) 6 durch (nicht dargestellte)
Horizontal-Leitungsstücke,
und zwischen jeder Wicklungseinheit 5 und der Innenisolierhülse 2 sowie zwischen
jeder Wicklungseinheit 5 und der Außenisolierhülse 3 bestehen jeweils sich innen
und außen vertikal erstreckende Kühlwege (im folgenden als Vertikal-Kühlwege bezeichnet)
7 bzw. Q durch (nicht dargestellte) lineare Leitungsstücke, die vertikal verlaufen.
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Bei den so aufgebauten Kühlwegen fließt das Kühlfluid aber in der
durch Pfeile 9 und 10 angedeuteten Weise, wenn die Wicklungseinheiten 5 erwärmt
sind, so daß der Kühlfluidstrom in den fIorizontal-K0hlwegen 6 sehr langsam ist.
Damit steigt die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungseinheit 5 an und kann die
Wicklung überhitzen. Um eine derartige überhitzung zu verhindern, müssen die Horizontal-Kühlwege
6 größer ausgelegt werden. Damit nehmen die Abmessungen der gesamten Wicklung zu.
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Die Fig. 3-5 zeigen schematisch Schnitte von anderen Beispielen herkömmlicher
elektrischer Gerätewicklungenn wie z. B.
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scheibenförmiger Wicklungen für einen Transformator.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Wicklungsaufbau (vgl.
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JP-Gebrauchsmusteranmeldung 48-50916 bzw. die veröffentlichte JP-Gebrauchsmusteranmeldung
49-150303) ist jede der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wicklungseinheiten 5 in mehrere
(beim Beispiel der Fig. 3 in zwei) Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b geteilt, um
dazwischen einen Mitten-Vertikal-Kühlweg 11 zu bilden, wobei die übrigen Teile mit
dem in den Fig.
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1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei diesem Wicklungsaufbau
wird die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungseinheit 5 durch das durch den Mitten-Vertikal
Kühlveg 11 strömende Kühlfluid verringert, wobei jedoch der Strom des
Kühlfluids
in den Horizontal-Kühlwegen 6a und 6b zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5a bzw.
zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5b wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1
noch sehr langsam ist. Entsprechend steigt die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungsuntereinheit
5a und 5b noch an.
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Um einen derartigen Temperaturanstieg zu verhindern, können die Wicklungsuntereinheiten
5a und 5b weiter geteilt werden, wobei jedoch in diesem Fall die Größe der Wicklungseinheit
5 um eine Länge entsprechend der Gesamtbreite der zusätzlichen Mitten-Vertikal-Kühlwege
zunimmt. Zusätzlich wird der Aufbau der Wicklung wesentlich komplizierter. Ein anderer
Wicklungsaufbau ist in Fig. 4 dargestellt (vgl. JP-Gebrauchsmusteranmeldung 48-126273
bzw. veröffentlichte JP-Gebrauchsmusteranmeldung 50-69616), bei dem jede Wicklungseinheit
5 in mehrere (beim Beispiel der Fig. 4 in zwei) Wicklungsuntereinheiten 5c und 5d
geteilt ist, um einen Zickzack-Vertikal-Kühlweg 12 zwischen den Wicklungsuntereinheiten
5c und den Wicklungsuntereinheiten 5d zu bilden, wobei die übrigen Teile mit dem
in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei dem so aufgebauten
Kühlweg stößt das durch den Vertikal-Kilhlweg 12 geschickte Kühlfluid in einer Stufe
gegen die weitere Wicklungsuntereinheit 5d der Wicklungsuntereinheiten 5c und 5d
der nächsten Stufe über der einen Stufe und wird in Horizontal-Kühlwege 6c und 6d
geteilt. Wenn jedoch der Durchsatz oder die Durchflußleistung des Kühlfluids insgesamt
langsam ist, wird der Durchsatz des durch den Vertikal-Kühlweg 12 geschickten Kühlfluids
so langsam wie der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege geschickten Kühlfluids,
so daß der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege 6c strömenden Kühlfluids
geringer ist als der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege 6d geschickten
Kühlfluids. Damit staut sich der Strom bei den Horizontal-Kühlwegen 6c unter den
schmäleren Wicklungsuntereinheiten
5c, wie dies durch Pfeile in
Eig. 4 gezeigt ist, oder der Strom ist in diesen Bereichen langsam und instabil.
Als Ergebnis steigt die Temperatur dieser Teile der Wicklung, die diesen Bereichen
gegenüberliegen, an. Um einen derartigen Temperaturanstieg zu verhindern, müssen
die Abmessungen der Kühlwege größer sein, was aber zu einer Steigerung der Abmessungen
der gesamten Wicklung führt.
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Ein anderer Wicklungsaufbau ist in Fig. 5 gezeigt (vgl.
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JP-Gebrauchsmusteranmeldung 28-33702 bzw. die veröffentlichte JP-Gebrauchsmusteranmeldung
30-5533), bei dem die gesamte Seitenfläche der geschichteten Wicklungseinheiten
5 durch einen Isolierstoff 13 umhüllt ist, und jede Wicklungseinheit 5 ist in Untereinheiten
mit einem weiteren Abstand 14 und einem schmäleren Abstand 15 dazwischen geteilt,
die von Wicklungseinheit zu Wicklungseinheit abwechseln, wobei die übrigen Teile
mit dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei dem so
aufgebauten Kühlweg wird infolge der Abstände 14 und 15 der Kühlfluidstrom in Ströme
geteilt, die einerseits lediglich entlang den Seiten der Wicklungseinheiten 5 und
andererseits entlang den Ober- und den Unterseiten der Wicklungseinheiten 5 fließen.
Das Kühlfluid strömt in den Horizontal-Kühlwegen 6e bei den Mittenteilen der Wicklungseinheiten
5 und strömt nicht in den Ftorizontal-Kühlwegen 6f, die durch die Endteile der Wicklungseinheiten
5 und den Isolierstoff 13 umgeben sind, und es ruft Turbulenzen oder Wirbel hervor.
Als Ergebnis werden die diesen Bereichen gegenüberliegenden Wicklungsteile übermäßig
erwärmt. Um eine derartige Erwärmung zu verhindern, müssen die Abmessungen des Kühlweges
vergrößert werden, was jedoch zu einer Steigerung der Abmessungen der gesamten Wicklung
führt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Gerätewicklung
anzugeben, die eine gute Strömung des Kühlfluids durch die Wege zwischen den Wicklungseinheiten
gewährleistet, um den Temperaturanstieg der Wicklung möglichst klein zu machen und
die Wicklung gleichmäßig und wirksam zu kühlen.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mehrere Wicklungseinheiten
aus jeweils einem Drahtelement nacheinander in Achsrichtung der Wicklung zwischen
einer Innenisolierhülse und einer Außenisolierhülse vorgesehen sind, daß Horizontal-Kühlwege
zwischen benachbarten Wicklungseinheiten und Vertikal-Kühlwege zwischen den jeweiligen
Wicklungseinheiten und der Innenisolierhülse und zwischen den jeweiligen Wicklungseinheiten
und der Außenisolierhülse gebildet werden, und daß jede Wicklungseinheit in mehrere
Wicklungsuntereinheiten geteilt ist, um Mitten-Vertikal-Kühlwege dazwischen zu bilden,
deren jeder einen sich senkrecht durch die Wicklungsuntereinheiten erstreckenden
Durchgangsstromweg und Zweigleitungsstromwege aufweist, wobei die Zweigleitungsstromwege
bewirken, daß die Strömung im Mitten-Vertikal-Kithlweg mäanderförmig ist und das
Kühlfluid in entgegengesetzten Richtungen in den Horizontal-Kühlwegen oberhalb und
unterhalb der l.Micklungsuntereinheiten mit den Zweigleitungsstromwegen fließt,
um die Kühlwirkung für die Wicklung zu erhöhen.
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Bei der Erfindung sind also mehrere Wicklungseinheiten aus jeweils
einem Drahtelement nacheinander in Achsrichtung der Wicklung zwischen einer Innenisolierhülse
und einer Außenisolierhülse angeordnet, und Vertikal-Kühlwege liegen auf entgegengesetzten
Seiten jeder Wicklungseinheit, während Horizontal
-Kühlwege zwischen
benachbarten Wicklungseinheiten vorhanden sind. Die Wicklungseinheiten werden in
mehrere Wicklungsuntereinheiten geteilt, um dazwischen einen Mitten-Vertikal-Kühlweg
zu bilden, der einen Durchgangsstromweg und einen Zweigleitungsstromweg aufweist,
wodurch das Kühlfluid in entgegengesetzten Richtungen und bei im wesentlichen gleicher
Geschwindigkeit in den Horizontal-Kühlwegen entlang den Ober- und den nterseiten
jeder Wicklungseinheit mit dem Zweigleitungsstrom weg strömt. Auf diese Weise wird
die gesamte Wicklung gleichmäßig gekühlt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer scheibenförmigen
Wicklung für einen Transformator als Beispiel einer herkömmlichen elektrischen Gerätewicklung,
Fig 2 einen Schnitt II-II in Fig. 1, Fig. 3 Teillängsschnitte seheibenförmiger Wicklungen
bis 5 für einen Transformator als Beispiele herkömmlicher elektrischer Gerätewicklungen,
bei denen jede scheibenförmige Wicklung in mehrere Einheiten geteilt ist, Fig. 6
in Perspektive teilweise aufgeschnitten den Kühlwegaufbau zwischen Wicklungen in
einem Transformator mit einer elektrischen Gerätewicklung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
Fig. 7 einen Längsschnitt zur Erläuterung der Strömung
des Kühlfluids in einer Schnitt ebene VII, VII-VII', VII' in Fig. 6, Fig. 8 einen
Teilhorizontalschnitt von Fig. C, Fig. 9 in Perspektive einen Teil eines Zwischenstückes
für den in Fig. 6 gezeigten Wicklungsaufbau, und Fig. 10 einen schematischen Längsschnitt
zur Erläuterung eines Kühiwegaufbaues zwischen den Wicklungen in einem Transformator
mit einer elektrischen Gerätewicklung entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Anhand der Fig. 6 und 7 wird ein Transformator mit einer elektrischen
Gerätewicklung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In den Fig. 6 bis 9 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen wie in den Fig. 1 bis 5. In den Fig.
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6 und 7 hat eine Transformatorwicklung mehrere Wicklungseinheiten
5 aus jeweils einem Drahtelement 4 hintereinander in senkrechter Richtung zwischen
einer Innenisolierhülse 2 und einer Außenisolierhülse 3, die konzentrisch um die
Außenmantelfläche eines Kernes angeordnet sind, wobei alle Wicklungseinheiten 5
in zwei Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b geteilt sind. Zwischen benachbarten Wicklungsuntereinheiten
5a und zwischen benachbarten Wicklungsuntereinheiten 5b liegen jeweils Horizontal-Kühlwege
6a und 6b durch mehrere Horizontal
-Leitungsstücke 16, wobei die
Kühlwege 6a und 6b in Umfangsrichtung mit gleicher Teilung bzw. gleichem Abstand
vorgesehen sind. Zwischen der Innenisolierhülse 2 und den jeweiligen Wickurgseinheiten
5 und zwischen der Außenisolierhülse 3 und den jeweiligen Wicklungseinheiten 5 liegen
Innen-Vertikal-Kühlwege 7 bzw. Außen-Vertikal-Kühlwege 8 durch mehrere Innen-Vertikal-Leitungsstücke
117 bzw. mehrere Außen-Vertikal-Leitungsstücke 10>, wobei die Kühlwege 7 und
8 am Umfang mit gleicher Teilung vorgesehen sind, um jeweils den Horizontal-Kühlwegen
6a bzw. 6b zu entsprechen. Weiterhin wird zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5a
und 5b jeder Wicklungseinheit 5 ein Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 gebildet, der einen
Durchgangsstromweg 19 und einen Zweigleitungsstromweg 20 aufweis. Der Durchgangsstromweg
19 des Mitten-Vertikal-Kühlweges 21 erstreckt sich vertikal durch den Abstand zwischen
den Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b, und der Zweigleitungsstrornweg ?0 des Mitten-Vertikal-Kilhlweges
21 erstreckt sich durch jede Wicklungseinheit 5 abwechselnd nach links und rechts
des Durchgangsstromweges 19 von einer Wicklungseinheit zur nächsten Wicklungselnheit,
so daß die Strömung im Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 mäanderförmig ist und ein Teil
der mäanderförmigen Strömung abwechselnd nach links und nach rechts von den Horizontal-Kühlwegen
6a und 6b über den Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b strömt. D. h., wenn der Zweigleitungsstromweg
20 für einen Wicklungsweg 5 auf der rechten Seite des Durchgangsstromweges 19 verläuft,
sind die Zweigleitungsstromwege 20 für die Wicklungseinheiten 5 oberhalb und unterhalb
dieser einen Wicklungseinheit auf der linken Seite des Durchgangsstromweges 19 angeordnet.
Der Mitten-Vertikal-KIlhlweg 21 einschließlich des Durchgangsstromweges 19 und des
Zweigleitungsstromweges 20 wird durch Wickeln eines Bandes 23 mit mehreren Zwischenstücken
22 darauf in geeignetem Intervall (vgl. Fig. 9)
gebildet, wobei
die Teilungsstelle von einer Wicklungseinheit zur benachbarten Wicklungseinheit
versetzt ist.
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Anhand der rig. 7 wird die Strömung des Kühlfluids bei dem oben erläuterten
Wicklungsaufbau näher erläutert. Da die Zweigleitungsstromwege 20 abwechselnd auf
der linken und der rechten Seite der Durchgangsstromwege von einer Wicklungseinheit
5 zur benachbarten Wicklungseinheit 5 angeordnet sind, tritt eine mäanderförmige
Strömung auf, wenn die (nicht gezeigte) Kühlströmung im Mitten-Vertikal-Kühlweg
21 von unten nach oben fließt. Obwohl die Breite des Mitten-Vertikal-Kühlweges 21
von Wicklungseinheit zu Wicklungseinheit verschieden sein kann, kann eine starke
mäanderförmige Strömung erzeugt werden, wenn die Breite gleichmäßig ist. Da die
mäanderförmige Strömung 24, die durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt gegen
die vorspringenden Bodenflächen dieser Wicklungsuntereinheiten 5al und 5b1 der Wicklungsuntereinheiten
5a und 5b stößt, die in die Räume über den Zweigleitungsstromwegen 20 vorspringen,
verläuft ein Teil der mäanderförmigen Strömung 24 durch die Zweigleitungsstromwege
20 in Horizontal-Kühlwege 6al und 6bl über den Wicklungsuntereinheiten 5a2 und 5b2.
Andererseits nimmt das Kühlfluid in den Horizontal-Kühlwegen 6a2 und 6b2 unter den
Wicklungsuntereinheiten 5a2 und 5b2 eine Widerstandskraft durch die Viskosität der
mäanderförmigen Strömung 24 auf, so daß es zum Mitten-Vertikal-K'.1hlweg 21 fließt.
Diese herbeigeführten oder induzierten Strömungen des Kühlfluids, die nach innen
oder nach außen von den Horizontal-Kühlwegen 6a und 6b gerichtet sind, kühlen die
Wicklungseinheiten 5, die sie berühren, und mischen sich dann mit einem Hauptstrom
des Kühlfluids, dasvertikal nach oben durch den Innen-Vertikal-Kühlweg 7, den Außen-Vertikal-Kühlweg
8 und den Elitten-Vertikal-Kuhlweg 21 fließt, um die Wärme abzuführen. Auf diese
Weise wird die Kühlwirkung wiederholt.
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Entsprechend können die mehreren Wicklungseinheiten 5, (41¼ zwischen
der Inneinisolierhülse 2 und der Außenisolierhülse 5 angeordnet sind, gleichmäßig
und wirksam gekühlt werden durch die gemeinsame Funktion der Vertikal-Strömung des
Kühlfluids, das durch den Innen-Vertikal-Kühlweg 7 und den Außen-Vertikal-Kühlweg
3 fließt 9 der mäanderförmigen Strömung 2, 4 , ie durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg
21 fließt, und des Kühlfluids, das durch die Horizontal-Kühlwege 6a a und 6b fließt.
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Da weiterhin die Strömung des Kühlfluids, das durch die Horizontal-Kühlwege
6a und b strömt, , in entgegengesetzten Richtungen entlang den Ober- und den Unterseiten
jeder Wicklungsuntereinheit 5a und Sb fließt, können die Wicklungseinheiten 5 gleichmäßiger
gekühlt werden, wie wenn sie in gleicher Richtung entiang der Ober- und der Unterseite
strömt.
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Bei einem anderen in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist anstelle der Anordnung der Zweigleitu'1-ig>sstromwege 20 für den
Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 abwechselnd auf der linken und der rechten Seite der
Durchgangsstromwege 19 von einer Wicklungseinheit 5 zur benachbarten Wicklungseinheit
5 eine Wicklungseinheit mit lediglich dem Durchgangsstromweg 19 und keinem Zweigleitungsstromweg
20 bei jeder dritten Stufe vorgesehen. Die übrigen Teile sind zu dem in den Fig.
6 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel identisch. Bei diesem Ausführungsbeispiel
können wiederum durch den Einfluß der starken mäanderformigen Strömung 24 des Kühlfluids,
das durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt, die Strömungen mit entgegengesetzten
Richtungen in die Horizontal-Kühlwege 6a und 6b entlang der Ober- und der Unterseite
der Wicklungsuntereinheiten mit den Zweigleitungsstromwegen 20 eingeführt werden.
Obwohl die Strömung in die Horizontal-Kühlwege 6a und 6b zwischen den Wicklungseinheiten
mit lediglich
dem Durchgangsstromweg 19 und veinem Zweigleitungsstromweg
20 nicht eingeführt wird, können die Wicklungseinheiten gekühlt werden, wenn eine
der Ober- und der Unterseiten jeder ticklungseinheit in Berührung mit der starken
eingeführten Strömung gebracht wird.
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Da, wie oben erläutert wurde, bei der Erfindung eine gleichmäßige
und staufreie Strömung in den Stromweg zwischen benachbaten Wicklungseinheiten eingeführt
werden kann, kann die Wärme wirksam von der Oberfläche der Wicklung abgeleitet werden,
um deren Überhitzung zu verhindern. Entsprechend sind Abmessungen und Gewicht der
elektrischen Gerätewicklung und der Kühlvorrichtung verringert, r. h., die Leistung
des elektrischen Gerätes ist erhöht.
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Die gleichen vorteilhaften kühlwirkungen können erzielt werden, wenn
anstelle der dargestellten und anhand dsr bevorzugten Ausführungsbeispiele beschriebenen
scheibenförmigen Wicklung eine schrauben- oder schneckenförmige Wicklung verwendet
wird, die einen ähnlichen Kühlaufbau hat.
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L e e r s e i t e