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Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagenwicklung für einen Transformator
oder eine Drosselspule gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es gibt Lagenwicklungen für Transformatoren mit einem Leiterdistanzierungsglied,
welches mit einem Harz imprägnierbar ist und bis zu 155 Grad C temperaturbeständig
ist. Der Aufbau dieses Leiterdistanzierungsgliedes, das aus einem Glasfaserprodukt
mit gleichmäßig verteilten Glasfasern bestehen kann, ist jedoch so beschaffen, daß
nur Harze ohne Füllstoffe verwendet werden können. Infolge guter Imprägnierbarkeit
entsteht aus dem Leiterdistanzierungsglied zusammen mit dem Gießharz eine elektrisch
hoch beanspruchbare Isolation. Nachteilig ist jedoch, daß sich in der Isolation
Räume oder Ansammlungen aus reinem Harz bilden können. Solche mit reinem Harz gefüllten
Räume können zur Bildung kleiner Hohlräume in der Isolation führen, weil Harz ohne
Füllstoffe während des Gelier- und Härtungsvorganges schrumpft. Das Auftreten solcher
Hohlräume hat zur Folge, daß in der Isolation Glimmentladungen auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lagenwicklung der eingangs
genannten Art zu entwickeln, bei welcher das Auftreten von Räumen, die mit reinem
Harz ohne Füllstoffe gefüllt sind, vermieden wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Lagenwicklung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wie teren Ansprüchen
genannt.
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Die Lagenwicklung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
in der Isolation keine Hohlräume auftreten, so daß es auch nicht zu Glimmentladungen
kommen kann. Die Isolation und damit die Wicklung ist daher für hohe elektrische
Beanspruchungen geeignet.
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Es ist wichtig, daß der Faden biegbar ist, damit die Wicklung kompakt
wird. Er liegt dann nämlich, wie bei -der Anwendung von Leiterdistanzierungsgliedern
aus Glasfasermaterial, überall an der darunterliegenden Leiterlage an, ohne daß
sich Hohlräume bilden. Ein Faden aus Polymer garantiert außerdem einen sicheren
Abstand zwischen benachbarten Leiterlagen mit guten Maßtoleranzen. Da das Polymer
homogen und hohlraumfrei ist, braucht es selbst nicht von dem Harz imprägniert zu
werden. Eine außerordentlich wichtige Eigenschaft der Erfindung besteht darin, daß
sie die Herstellung einer Leiterdistanzierung der genannten Art erheblich vereinfacht.
Das Leiterdistanzierungsglied kann nämlich unmittelbar aus dem biegbaren Faden als
solchem bei Herstellung der Wicklung gefertigt werden. Der Faden braucht somit nicht
im voraus zu einem Gewebe oder einem anderen Produkt verarbeitet zu werden, in welchem
einzelne Abschnit-
te des Fadens zu einer Einheit verbunden werden,
die auf geeignete Weise auf der Leiterlage aufgebracht werden kann.
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Der Faden wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung in der Weise
auf der Wicklung aufgebracht, daß er auf einer Leiterlage zwischen den Stirnflächen
der Wicklung hin- und hergeführt wird, wobei er an den Stirnflächen derart abgebogen
wird, daß zwischen benachbarten, in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Abschnitten
des Fadens Abstände entstehen, die Kanäle bilden, welche bis zu den Stirnflächen
der Wicklung sich erstrecken und das Eindringen des füllstoffhaltigen Harzes in
die Wicklung ermöglichen.
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Als Beispiele für ein für den Faden verwendbares Polymer können genannt
werden: Polyamid, wie z.B. Polyhexamethylenadipamid (Nylon 66),.Polykaproamid (Nylon
6) oder ein Kopolymer aus Polyhexamethylenadipamid und Polyhexamethylensebacamid,
Polyester, wie Polyäthylenglykolterephtalat und außerdem Polykarbonat. Die als Beispiel
genannten Polymere sind bis 155 Grad C temperaturbeständig, zumindest dann, wenn
sie in ein Gießharz eingebettet sind. Sie sind auch ausreichend druckstabil, um
die Leiter der benachbarten Lagen in dem vorgesehenen Abstand voneinander zu halten.
Der Polymerfaden hat zweckmäßigerweise einen Durchmesser von 0,5 - 3,5 mm und vorzugsweise
einen Durchmesser von 0,5 - 2,5 mm. Nebeneinander angeordnete Abschnitte des Fadens
in derselben Lage haben in seitlicher Richtung einen gegenseitigen Abstand (Breite
der Kanäle) von zweckmäßigerweise 0,5 - 20 mm und vorzugsweise 0,5 - 10 mm.
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Das Leiterdistanzierungsglied gemäß der Erfindung wird vorzugsweise
in Lagenwicklungen mit runden oder bandförmigen (mit rechteckigem Querschnitt) Leitern
aus Kupfer oder Aluminium verwendet. Der Leiter ist dabei vorzugsweise mit einem
Lack isoliert, der mindestens bis 155 Grad C temperaturbeständig ist, wie z.B. ein
Lack aus Polyesterimid, Terephtalsäurealkyd oder Polyuretan.
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Das Gießharz, das zusammen mit dem Leiterdistanzierungsglied verwendet
werden soll, ist ein lösungsmittelfreies Harz, das einen Füllstoff enthält. Das
lösungsmittelfreie Harz kann u.a. ein Epoxyharz, ein ungesättigtes Esterharz oder
ein Polyuretanharz sein, insbesondere ein solches, das mindestens bis 155 Grad C
temperaturbeständig ist. Als Beispiel für geeignete Füllstoffe, die vorzugsweise
aus anorganischem Material bestehen, können pulverförmige Füllstoffe, wie Quarz,
Aluminiumoxyd, Glimmermehl, Kaolin, Kalk und Kreide sowie fibröse Füllstoffe, wie
kurze Fasern ( <5 mm) aus Glas oder Asbest genannt werden. Der Gehalt an Füllstoff
beträgt zweckmäßigerweise 20 bis 50 Prozent und vorzugsweise 35 bis 45 Pozent des
Volumens von Harz und Füllstoff zusammen. Besonders wird ein Epoxyharz bevorzugt,
das mit einem Leiterdistanzierungsglied aus Polyamid kombiniert ist, da ein Epoxiharz
ein Polyamid sehr gut benetzt und eine sehr gute Bindung mit diesem ergibt.
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Beim Gießen wird die Wicklung in einer Gießform plaziert, und das
füllstoffhaltige Harz wird eingefüllt. Da Harz füllt dabei den Raum zwischen der
Form und der Wicklung aus und dringt durch die von den Fadenabschnitten gebildeten
Kanäle in das Leiterdistanzierungsglied zwischen den Leiterlagen ein. Das Eindringen
des Harzes in die Kanäle kann durch die Anwendung von Vakuum und Erwärmung des Harzes
beim Geißen erleichtert werden. Das Eingießen von Schaltverbindungen zwischen Wicklungsteilen
und Anschlußgewindestücken bereitet keine Probleme.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch eine
schematisiert dargestellte Lagenwicklung,
Figur 2 einen Teil eines
Schnittes längs der Linie A - A in Figur 1, Figur 3 schematisch in Seitenansicht
eine Ausführungsform einer Lagenwicklung gemäß der Erfindung während der Herstellung.
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Bei der in den Figur 1 und 2 gezeigten Hochspannungslagenwicklung
für einen Transformator ist der Abstand der Leiter benachbarter Lagen mit 1 bezeichnet
und der Leiter mit 2.
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Die Leiter sind in Längsrichtung der Wicklung dicht nebeneinanderliegend
in Lagen 3 gewickelt. Zwischen benachbarten Lagen ist ein Leiterdistanzierungsglied
vorgesehen, welches die Leiterlagen in radialer Richtung in einem vorgegebenen Abstand
voneinander hält. Aufgrund des Aufbaus des Leiterdistanzierungsglieds aus Abschnitten
eines Fadens 4, welche Fadenabschnitte zwischen sich Kanäle 5 bilden, in welche
das Harz gut eindringen kann, werden die Kanäle vollständig mit füllstoffhaltigem
Harz 6 ausgefüllt, welches ohne Bildung von Hohlräumen geliert und aushärtet. Da
das den Faden bildende Polymer hohlraumfrei ist, sind auch in dem Faden selbst keine
Hohlräume vorhanden, so daß der Raum zwischen den Leiterlagen in seiner Gesamtheit
mit einer hohlraumfreien Isolation ausgefüllt wird.
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In der in Figur 3 schematisch gezeigten, im Herstellungsstadium befindlichen
Wicklung sind außerhalb der Sirnflächen der Wicklung auf einem Rahmen 7 für die
Wicklung zwei abnehmbare Stirnwände 8 angebracht, die über ihren Umfang mit gleichmäßig
verteilten Stiften 9 versehen sind. Das Leiterdistanzierungsglied wird aus einem
zusammenhängenden Faden 4 gebildet, der in im wesentlichen axialer Richtung der
Wicklung in einer hin- und hergehenden Bewegung aufgebracht wird und um die Stifte
9 herumgeführt wird. Der Faden wird in einem lückenhaften Muster unter Bildung von
Kanälen
5 zwischen seinen einzelnen Abschnitten aufgebracht.
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Zum Beispiel wird der Kanal 5a zwischen den Abschnitten 4a und 4b
des Fadens bzw. der Kanal 5b zwischen den Abschnitten 4b und 4c des Fadens gebildet.
Um Stirnwände 8 von der fertigen Wicklung wegnehmen zu können, können die Stifte
9 eindrückbar angeordnet sein, so daß sie nicht in radialer Richtung über die Peripherie
der Stirnwände hinausragen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Faden an den Stellen zu
durchtrennen, an denen er um die Stifte herumläuft.
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Die Herstellung einer Wicklung gemäß der Erfindung kann beispielsweise
wie folgt vorgenommen werden: Ein 3 mm starkes Rohr mit einem Innendurchmesser von
60 cm und einer Länge von 80 cm dient als Wiclungskörper (Wicklungsrahmen). Das
Rohr besteht aus glasfaserarmiertem Epoxyharz. An den Enden des Rohres werden zwei
Stirnwände 8 festgeschraubt, die denselben Außendurchmesser wie das Rohr haben.
Jede Stirnwand ist mit eindrückbaren Stiften 9 versehen, die in einem Abstand von
5 mm voneinander an der Peripherie angebracht sind. Auf das Rohr wird ein lackierter
Kupferdraht 2 (Leiter) mit einem Durchmesser-von 4 mm gewickelt. Der Leiterdraht
wird mit einer Vielzahl von Windungen pro Lage gewickelt. Danach wird um diese gesamte
Leiterlage herum ein Faden 4 aus hohlraumfreien Polyamid mit einem Durchmesser von
1,0 mm in einem hin- und hergehenden Muster gewickelt, wobei der Faden an jeder
Stirnfläche der Wicklung um die Stifte herumgeführt wird. Danach wird eine weitere
Lage mit einer Vielzahl von Windungen des lackierten Kupferdrahtes auf diese Polyamidfadenlage
gewickelt. Dann wird auf diese Kupferdrahtlage eine weitere Lage von Polyamidfäden
in der oben beschriebenen Weise gewickelt, wonach entsprechend weitere Kupferdrahtlagen
und eine Polyamidfadenlage gewickelt werden, bis die fertig gewickelte Spule aus
vier Kupferdrahtlagen mit lückenhaft gewickelten Poly-
amidfäden
zwischen den benachbarten Kupferdrahtlagen besteht. Anschließend werden die Stirnwände
8 entfernt, wobei die Stifte eingedrückt werden, damit die Wegnahme der Stirnwände
nicht durch den um die Stifte geführten Draht verhindert wird.
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Die Spule wird dann in einer aus dünnem Eisenblech bestehenden Gießform
plaziert. Das Ganze wird in einen Vakuumofen gebracht und 10 Stunden lang auf 90
Grad erhitzt. Danach wird der Ofen vakuumgesaugt, wonach ein warmes, entgastes,
quarzmehlgefülltes Epoxiharz in die Gießform gegossen wird.
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Das Epoxiharz besteht aus 100 Gewichtsteilen eines Bisfenol-Harzes
(z.B. Araldit F von CIBA AG, Schweiz), 100 Gewichtsteilen eines Anhydrid-Härters
(z.B. HY 905 von CIBA AG), 1 Gewichtsteil Aminakzelerator (z.B. DY 061 von CIBA
AG) und 300 Gewichtsteilen (entsprechend 40 Volumenprozent) Quarzmehl. Wenn die
Wicklung vollständig mit dem Harz bedeckt ist, wird Luft mit Atmoshärendruck eingelassen.
Das quarzmehlgefüllte Harz dringt nun in die Kanäle 5 zwischen den Fadenabschnitten
ein und füllt die Räume zwischen diesen vollständig aus. Der Faden wird dabei von
dem Harz umgeben, der nicht in das hohlraumfreie Polyamid eindringt. Danach wird
die Temperatur im Ofen auf 120 Grad C erhöht, wobei das Harz geliert und härtet.
Da das Harz überall mit Quarzpulver gefüllt ist, gibt es keine ungefüllten Harzbereiche,
in welchen Risse und Blasen auftreten können, in denen dann bei elektrischer Beanspruchung
Glimmentladungen entstehen könnten. Ebensowenig können in dem im Harz eingebetteten
hohlraumfreien Polymärfaden Glimmentladen auftreten. Die Wicklung wird als Hochspannungswicklung
für einen lagengewickelten Transformator verwendet.