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Elektrischer Transformator Die Erfindung betrifft elektrische Transformatoren
und sieht verbesserte Anordnung und Mittel vor, um die durch Streufluß auftretenden
Wirbelströme und sonstigen umlaufenden Ströme zu verringern. Unter umlaufenden Strömen
sind jene Ströme zu verstehen, die sich zwischen den verschiedenen Strängen eines
Leiters ausbilden, und zwar als Folge des Umstandes, daß jeder Strang mit einer
verschiedenen Streuflußmenge verkettet ist. Bei jedem Transformator tritt der Streufluß
entsprechend den Amperewindungen in den Primär- und Sekundärwicklungen teils zwischen
den Wicklungen, teils durch die Wicklungen selbst hindurch. Der zwischen den Wicklungen
verlaufende Fluß verursacht in dem Kupfer keine Verluste infolge Wirbelstrom, jedoch
ruft der durch die Wicklungen hindurchgehende Teil Wirbelströme oder Foucaultverluste
in den Windungen der Wicklungen hervor. Diese Verluste treten zu den Ohmschen Verlusten
durch die Belastungsströme in den Wicklungen hinzu.
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Zu Zwecken der Erläuterung bezieht sich die unten folgende Beschreibung
insbesondere auf Kerntransformatoren mit gleichmittig angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen.
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Bei dieser Transformatorenart ist der Streufluß als parallel zur Spulenachse
anzusehen, und der durch diesen Fluß hervorgehobene Wirbelstromverlust hängt vom
Querschnitt des Leiters ab. Der Verlust kann bekanntlich in erster Linie durch derartige
Gestaltung des Leiters verringert werden, daß seine Abmessung in einer senkrecht
zur Flußrichtung liegenden Richtung klein ist. Somit kann als Leiter ein dünner
Streifen dienen, dessen kleinere Abmessung in radialer Richtung liegt.
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Ist andererseits der zu führende Strom groß, so können die Wirbelstromverluste
dadurch verringert werden, daß man den Leiter in mehrere Leitergruppen unterteilt,
die voneinander isoliert sind. Hierdurch werden die Wirbelstromverluste in jedem
einzelnen Leiter klein gemacht, jedoch kann man nicht verhindern, daß zwischen den
einzelnen Leitern umlaufende Ströme entstehen, da jeder einzelne Leiter mit verschiedenen
Streuflußbeträgen verkettet ist.
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Um diesen Verlust zu verringern, können die Leiter so verlegt oder
gekreuzt werden, daß jeder Leiter, wenn man ihn über seine ganze Länge betrachtet,
sich mit einem gleichen Streuflußbetrage verkettet.
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Bei Kerntransformatoren würde diese Kreuzung in einer radialen Ebene
ausgeführt werden. Es hat sich herausgestellt, daß der Streufluß in Transformatoren
nicht über die ganze Wicklungslänge parallel zur Achse verläuft. Der Fluß geht teils
durch den Kern, teils durch die Luft zurück. Infolgedessen ist an den beiden Wicklungsenden
der Fluß nicht parallel zur Achse, sondern er besitzt eine stark radiale Richtung.
Infolgedessen sind die bisher verwendeten
Kreuzungen und Unterteilungen,
die den Streufluß längs des Wicklungskörpers vermindern sollen, hinsichtlich der
Wicklungsenden wirkungslos. In Wirklichkeit vermehrt die Formänderung des Leiters
(beispielsweise durch Benutzung eines dünnen Streifens), welche die Wirbelstromverluste
in dem Wicklungskörper verringern soll, die Verluste in den Enden der Wicklungen,
da ja die größere Abmessung des Leiters jetzt im wesentlichen in derselben Richtung
oder Ebene wie der Fluß liegt.
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Bei der üblichen Wicklungsart treten an den Wicklungsenden erheblich
größere Wirbelstromverluste im Kupfer auf, und zwar infolge der geänderten Richtung
des Streuflusses in diesen Zonen. Da jedoch diese Verluste nur in einem kleinen
Teile der Gesamtwicklung auftreten, so ist die Einwirkung auf die gesamten Kupferverluste
klein. Von diesem Gesichtspunkte aus betrachtet, ist daher das Auftreten der Endstreuflußverluste
nicht von großer Bedeutung. Beispielsweise kommt ein Streuflußverlust von 6 Prozent
in 5 Prozent der Endwindungen auf weniger als 6 Prozent des Gesamtkupferverlustes.
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Diese Sonderverluste in den Wicklungsenden erzeugen jedoch eine zusätzliche
Wärme, und diese muß durch Übertragung auf Öl oder andere Kühlmittel abgeführt werden.
Der Wicklungstemperaturunterschied oder der Temperaturunterschied zwischen dem Kupfer
und dem benachbarten Kühlöl oder Kühlmittel ist angenähert proportional zum Kupferverlust,
so daß dieser Unterschied für die Wicklungsenden viel größer als für den Wicklungskörper
ist. In dem obengenannten Beispiel wird der Unterschied 6 Prozent größer sein.
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Bei manchen Transformatoren, beispielsweise Kerntransformatoren, liegt
die örtlich höchste Wicklungstemperatur am Ende des Schenkels. Diese heißeste Stelle
gibt die wirklich maßgebende Grenze für die Leistung des Transformators. Diese so
entstehenden Sonderverluste in den Wicklungsenden vermindern daher unmittelbar und
erheblich die effektive Leistung des Transformators durch Steigerung der höchsten
örtlichen Temperaturen. Ist beispielsweise der Durchschnittswert des Wicklungstemperaturunterschiedes
:zo° C, dann wird sein Wert an den Wicklungsenden --6' C betragen, wenn man einen
Endstreuflußverlust von 8 Prozent annimmt. In einem solchen Falle erhöht daher der
Endstreuflußverlust die örtlich heißeste Temperatur um Z6°.
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Alle praktischen Beobachtungen oder Messungen des Verhaltens eines
Transformators haben die Endstreuflußverluste nicht aufgedeckt, und daher ist auch
ihre bedenkliche Einwirkung auf die effektive Leistung des Transformators nicht
offensichtlich geworden.
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Es ist vorgeschlagen worden, Kreuzungen an unterteilten Stirnverbindern
für Wechselstrommaschinen vorzusehen, die in einer anderen Ebene wie die Kreuzverbindungen
in den Nutenleitern liegen. Aber in diesem Falle ändern die Leiter selbst ihre Richtung,
auch gegenüber der Richtung von der an den Nuten vorhandenen zu der an den Enden,
so daß die Verluste, auf deren Beseitigung die Erfindung hinstrebt, gar nicht vorhanden
sind.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einem elektrischen Transformator
mit unterteilten und gekreuzten, parallel geschalteten Wicklungen die an den Wicklungsenden
befindlichen Windungen zusätzlich senkrecht zu der Unterteilungsvorrichtung der
im Hauptwicklungskörper liegenden Windungen unterteilt und gekreuzt sind.
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Zweckmäßig sind die Teilleiter bei den Spulen, die durch den Hauptkörper
der Wicklung hindurch verlegt sind, radial gekreuzt, dagegen axial bei den neben
den Wicklungsenden liegenden Spulen.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer schematischen
Zeichnung beschrieben.
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Diese stellt den Oberteil einer Wicklung bei einem gleichmittig gewickelten
Transformator dar.
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Die durch den Hauptteil der Wicklung führenden Leiter sind in zwei
Elemente a, b unterteilt. Diese sind in der radialen Ebene gekreuzt, wo sie
von einer Spule zur nächsten treten. Die Leiter sind an den Wicklungsenden in axialer
Abmessung unterteilt und kreuzen die unterteilten Elemente in axialer Richtung.
So werden bei dem betrachteten Beispiel vier Elemente c, d, e, f, von denen
c und d weitere Unterteilungen des Elementes a, und c sowie f von
dem Element b darstellen.
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In manchen Fällen können die Leiter in mehr als zwei Leitergruppen
unterteilt sein und mehrere Überkreuzungen einiger oder aller dieser unterteilten
Leiter stattfinden. Die Zahl und Art dieser Kreuzungen wird mit Rücksicht auf die
Richtung des Streuflusses im Hauptkörper der Wicklung bestimmt.
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In gleichmittigen Primär- und Sekundärwicklungen, wo die Richtung
des Streuflusses im Hauptteil der Wicklung axial verläuft und die Kreuzungen im
Hauptteil der Wicklungen in radialer Richtung liegen, verlaufen die Kreuzungen der
unterteilten Leiter an den Wicklungsenden in axialer Richtung.
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Bei Transformatoren mit Scheibenwicklungen ist die Richtung des Streuflusses
im Hauptteile der Wicklung radial. Die Kreuzungen im Hauptteile der Wicklung liegen
dann in axialer Richtung und die Kreuzungen der unterteilten Leiter an den Wicklungsenden
in radialer Richtung.
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In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck
»Wicklungsenden«
die Enden jeder Primär- oder Sekundärgruppe.