EP0049382B1 - Wicklungsanordnung für Transformatoren mit quadratischem Kernquerschnitt - Google Patents

Wicklungsanordnung für Transformatoren mit quadratischem Kernquerschnitt Download PDF

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EP0049382B1
EP0049382B1 EP81107243A EP81107243A EP0049382B1 EP 0049382 B1 EP0049382 B1 EP 0049382B1 EP 81107243 A EP81107243 A EP 81107243A EP 81107243 A EP81107243 A EP 81107243A EP 0049382 B1 EP0049382 B1 EP 0049382B1
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Peter Dolezal
Bernhard Ludwig
Richard Dr. Pfeiffer
Klaus-Peter Seeliger
Walter Weber
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Transformatoren Union AG
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Transformatoren Union AG
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/322—Insulating of coils, windings, or parts thereof the insulation forming channels for circulation of the fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a winding arrangement for transformers with a square core cross-section with an inner winding that is tightly fitting in cross-section at the core cross-sectional corners and includes the core with the formation of cooling channels and with an outer winding that is circular in cross-section.
  • US-A-3 447 112 shows for transformers a winding arrangement with a purely square core cross section and with an outer winding that is circular in cross section.
  • An inner winding is supported directly on the corners of the core leg and is exhibited between these corners by supporting strips, so that in cross section it represents a polygon that comes very close to the circular shape.
  • a so-called main scattering channel provided between the inner and the outer winding is at the same time also cooling channel in this known arrangement over the entire circumference due to its relatively large radial expansion.
  • the mean winding length in this known arrangement is uneconomically long. The functionality of this arrangement is therefore bought through the use of a disproportionate amount of material.
  • the invention is therefore based on the object of finding a shape for the core and the windings for transformers in which an optimum short-circuit strength is achieved and at the same time a high degree of economy is provided.
  • a winding arrangement which is characterized in that the inner winding, which is not round in cross-section, forms a square with a relatively rounded corner in cross-section and that the distance of the outer winding from the inner winding in the main winding channel represents the strength of a main stray channel
  • the area radially above the core cross-sectional corners is significantly smaller than in the rest of the circumferential area, that in the main scattering channel in the area radially above the core cross-section corners, the solid insulating means are designed solely for the electrical insulation of the windings from one another, that the main scattering channel, which also serves as a cooling channel in the other circumferential area, is in the area radially above the Core cross-sectional corners is ineffective as a cooling channel and that press blocks for introducing the clamping forces for axially fixing the windings lie in the area radially above the core cross-sectional corners on the end faces of the windings.
  • the inner winding is penetrated by axial cooling channels, which taper radially in the direction of the area above the core cross-sectional corners and are completely closed immediately in this area, and the inner winding is wound from tape, the width of which is equal to the length of the winding.
  • the exits of the inner winding in cooling channels lie in the middle between two corner regions on the same side of the core cross-section and that the inner winding is wedged against the iron core on the side opposite its exits.
  • the inner winding carries between the corner areas axially parallel strips which keep the main scattering channel open and which are held in their installed position by a bandage from an extension of a strip of insulating material serving as winding insulation.
  • the strips arranged there are at least partially made of metallic strips corrugated parallel to the axis.
  • the winding arrangement according to the invention is very advantageous because it enables a very good use of space and an associated very good utilization of the material used with a very good short-circuit strength at the same time.
  • the drawing shows a top view of an iron core leg 1 with an inner winding 2 and an outer winding 3 arranged around it with the upper iron yoke not yet nested.
  • the iron core leg 1 is made of sheet metal mellen layered and has a square cross section with only slightly offset corners.
  • the inner winding 2 is divided into two sections of approximately the same size, between which cooling channels 4 are provided above the side surfaces of the iron core leg 1, which run out in the area above the core cross-sectional corners.
  • the two sections of the inner winding 2 lie directly on top of one another in this area and the inner winding 2 forms a square in cross-section with corners that are relatively rounded.
  • the outer winding 3 is circular in cross-section and lies with its inner jacket directly above the rounded cross-sectional corners of the inner winding 2. In this way, the main scattering channel between the inner winding 2 and the outer winding 3 in the area above the core cross-sectional corners is practically completely eliminated. Due to the small radial distance between the two windings 2 and 3, the main scattering channel 5 is not simultaneously effective as a cooling channel in this area. As a result of the good thermal conductivity properties of the winding material, however, no significant temperature differences occur over the circumference. In contrast, the average winding diameter is effectively reduced by this arrangement.
  • axially parallel corrugated heat-conducting plates 6 are provided in the cooling channels 4 and in the main scattering channel 5.
  • the inner winding 2 is wedged against the iron core leg 1 via its internal diversion 7 and additional support strips 8.
  • additional support strips can be used on the third and fourth sides of the iron core leg 1.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Insulating Of Coils (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für Transformatoren mit quadratischem Kernquerschnitt mit einer den Kern unter Bildung von Kühlkanälen umfassenden an den Kernquerschnittsecken eng anliegenden im Querschnitt unrunden inneren Wicklung und mit Im Querschnitt kreisrunden äußeren Wicklung.
  • Bei der Fertigung, insbesondere der Serienfertigung, von Transformatoren ist man bestrebt durch die Gestaltung des Eisenkerns und der diesen umgebenden Wicklungen gleichzeitig eine gute Kurzschlußfestigkeit und ein sehr hohes Maß an Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
  • Bei dem üblichen Aufbau von Transformatoren mit im Querschnitt kreisrunden Eisenkernen und Wicklungen wird eine sehr gute Kurzschlußfestigkeit erreicht. Hierbei ist jedoch ein erheblicher Aufwand für den aus Blechlamellen geschichteten Eisenkern erforderlich, weil Lamellen der verschiedensten Breite in unterschiedlichen Stückzahlen 'zusammengesetzt werden müssen. Bei Anordnungen mit innen liegender Bandwicklung ergibt sich ein darüber hinausgehender Mehraufwand für die Wicklungsausleitungen, da in diesen Fällen wegen der radialen Kurzschlußkräfte ein Tragzylinder erforderlich ist.
  • Durch die DE-A-24 25 899 ist auch schon eine Wicklungsanordnung mit annähernd rechteckigem Kern- und Wicklungsquerschnitt bekannt. Zur Aufnahme der radialen Kurzschlußkräfte ist bei dieser Anordnung eine verhältnismäßig kostenaufwendige radiale Wicklungseinspannung erforderlich. Trotzdem ist bei dieser Anordnung ein Rest von Kurzschlußspannungsänderung im Kurzschlußfall nicht ganz ausgeschlossen.
  • Die US-A-3 447 112 zeigt für Transformatoren eine Wicklungsanordnung mit rein quadratischem Kernquerschnitt und mit im Querschnitt kreisrunder äußerer Wicklung. Eine innere Wikklung stützt sich unmittelbar auf den Ecken des Kernschenkels ab und ist zwischen diesen Ecken durch Stützleisten ausgestellt, so daß sie im Querschnitt ein der Kreisform recht nahekommendes Vieleck darstellt. Ein zwischen der inneren und der äußeren Wicklung vorgesehener sogenannter Hauptstreukanal ist bei dieser bekannten Anordnung über den gesamten Umfang infolge seiner verhältnismäßig großen radialen Ausdehnung gleichzeitig auch Kühlkanal. Hierdurch und durch die annähernd kreisrunde Querschnittsform der inneren Wicklung ist die mittlere Wicklungslänge bei dieser bekannten Anordnung unwirtschaftlich groß. Die Funktionstüchtigkeit dieser Anordnung ist demzufolge durch den Einsatz einer unverhältnismäßig großen Werkstoffmenge erkauft.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Transformatoren eine Form für den Kern und die Wicklungen zu finden, bei der ein Optimum an Kurzschlußfestigkeit erreicht und gleichzeitig ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch eine Wikklungsanordnung erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, das die im Querschnitt unrunde innere Wicklung nach außen hin im Querschnitt ein Quadrat mit verhältnismäßig stark abgerundeten Ecken bildet und daß der die Stärke eines Hauptstreukanals darstellende Abstand der äußeren Wicklung von der inneren Wicklung im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken wesentlich kleiner ist als im übrigen Umfangsbereich, daß im Hauptstreukanal im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken die festen Isoliermittel allein zur elektrischen Isolation der Wikklungen voneinander ausgelegt sind, daß der im übrigen Umfangsbereich gleichzeitig als Kühlkanal dienende Hauptstreukanal im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken als Kühlkanal wirkungslos ist und daß Preßklötze zur Einleitung der Einspannkräfte zur axialen Fixierung der Wicklungen in dem Bereich radial über den Kernquerschnittsecken auf den Stirnseiten der Wikklungen liegen.
  • Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist die innere Wicklung von axialen Kühlkanälen durchsetzt, die in Richtung auf den Bereich radial über den Kernquerschnittsecken verjüngt und unmittelbar in diesem Bereich vollständig geschlossen sind und wobei die innere Wicklung aus Band gewickelt ist, dessen Breite gleich der Wicklungslänge ist.
  • Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist vOGtlesehen, daß die Ausleitungen der inneren Wicklung in Kühlkanälen in der Mitte zwischen zwei Eckbereichen auf derselben Seite des Kernquerschnitts liegen und daß die innere Wicklung auf der ihren Ausleitungen gegenüberliegenden Seite gegen den Eisenkern verkeilt ist. Dabei trägt die innere Wicklung zwischen den Eckbereichen achsparallele den Hauptstreukanal offenhaltende Leisten, die durch eine Bandage aus einer Verlängerung eines als Windungsisolierung dienenden Streifens aus Isolierwerkstoff in ihrer Einbaulage gehalten sind.
  • Nach einer anderen Ausgestaltung sind zur Erleichterung der Wärmeabfuhr aus dem Hauptstreukanal die dort angeordneten Leisten mindestens teilweise aus achsparallel gewellten metallischen Streifen.
  • Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung ist sehr vorteilhaft, denn sie ermöglicht eine sehr gute Raumausnutzung und eine damit verbundene sehr gute Auslastung des eingesetzten Werkstoffes bei gleichzeitig sehr guter Kurzschlußfestigkeit.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung stellt die Draufsicht auf einen Eisenkernschenkel 1 mit darum angeordneter innerer Wicklung 2 und äußerer Wicklung 3 bei noch nicht eingeschachteltem oberen Eisenjoch dar. Der Eisenkernschenkel 1 ist aus Blechlamellen geschichtet und hat einen quadratischen Querschnitt mit lediglich leicht abgesetzten Ecken.
  • Die innere Wicklung 2 ist in zwei etwa gleich große Abschnitte aufgeteilt, zwischen denen über den Seitenflächen des Eisenkernschenkels 1 Kühlkanäle 4 vorgesehen sind, die im Bereich über den Kernquerschnittsecken auslaufen. Dadurch liegen in diesem Bereich die beiden Abschnitte der inneren Wicklung 2 unmittelbar aufeinander und die innere Wicklung 2 bildet nach außen hin im Querschnitt ein Quadrat mit verhältnißmäßig stark abgerundeten Ecken.
  • Die äußere Wicklung 3 ist im Querschnitt kreisrund und liegt mit ihrem Innenmantel unmittelbar über den abgerundeten Querschnittsecken der inneren Wicklung 2. Auf diese Weise ist der Hauptstreukanal zwischen der inneren Wicklung 2 und der äußeren Wicklung 3 im Bereich über den Kernquerschnittsecken praktisch vollständig entfallen. Durch den geringen radialen Abstand zwischen den beiden Wicklungen 2 und 3 ist in diesem Bereich der Hauptstreukanal 5 nicht gleichzeitig als Kühlkanal wirksam. Infolge der guten Wärmeleiteigenschaften des Wicklungswerkstoffes treten jedoch trotzdem über den Umfang gemessen keine wesentlichen Temperaturdifferenzen auf. Dagegen ist durch diese Anordnung der mittlere Windungsdurchmesser wirksam verkleinert.
  • Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus der Wicklungsanordnung sind in besonderen Fällen anstelle von üblichen nicht dargestellten Abstandsleisten achsparallel gewellte Wärmeleitbleche 6 in den Kühlkanälen 4 und in dem Hauptstreukanal 5 vorgesehen.
  • Die insbesondere bei Hochstromwicklungen häufig problematische Unterbringung von Ausleitungen ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel auf einfache Art dadurch gelöst, daß auf derselben Seite des Eisenkernschenkels 1 an der inneren Wicklung 2 entlang deren Innenmantel und Außenmantel je eine Ausleitung 7 angeordnet ist.
  • Die innere Wicklung 2 ist über ihre innen liegende Ausleitung 7 sowie zusätzliche Stützleisten 8 gegen den Eisenkernschenkel 1 verkeilt. Zur Beherrschung auch außergewöhnlicher Belastungen sind nicht dargestellte weitere Stützleisten an der dritten und vierten Seite des Eisenkernschenkels 1 einsetzbar.

Claims (7)

1. Wicklungsanordnung für Transformatoren mit quadratischem Kernquerschnitt mit einer den Kern (1) unter Bildung von Kühlkanälen (4) umfassenden, an den Kernquerschnittsecken eng anliegenden, im Querschnitt unrunden inneren Wicklung (2) und mit einer im Querschnitt kreisrunden äußeren Wicklung (3), dadurch gekennzeichnet,
- daß die im Querschnitt unrunde innere Wikklung (2) nach außen hin im Querschnitt ein Quadrat mit verhältnismäßig stark abgerundeten Ecken bildet,
- daß der die Stärke eines Hauptstreukanals (5) darstellende Abstand der äußeren Wicklung (3) von der inneren Wicklung (2) im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken wesentlich kleiner ist als im übrigen Umfangsbereich,
- daß im Hauptstreukanal (5) im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken die festen lsoliermittel allein zur elektrischen Isolation der Wikklungen (2, 3) voneinander ausgelegt sind,
- daß der im übrigen Umfangsbereich gleichzeitig als Kühlkanal dienende Hauptstreukanal (5) im Bereich radial über den Kernquerschnittsecken als Kühlkanal wirkungslos ist und
- daß Preßklötze zur Einleitung der Einspannkräfte zur axialen Fixierung der Wicklungen (2, 3) in dem Bereich radial über den Kernquerschnittsecken auf den Stirnseiten der Wicklungen (2, 3) liegen.
2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung (2) von axialen Kühlkanälen (4) durchsetzt ist, die in Richtung auf den Bereich radial über den Kernquerschnittsecken verjüngt und in diesem Bereich vollständig geschlossen sind.
3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung (2) aus Band gewickelt ist, dessen Breite gleich der Wicklungslänge ist.
4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ausleitungen (7) der inneren Wicklung (2) in Kühlkanälen in der Mitte zwischen zwei Eckbereichen auf derselben Seite des Kernquerschnitts liegen und daß die innere Wicklung (2) auf der ihren Ausleitungen (7) gegenüberliegenden Seite gegen den Eisenkern verkeilt (8) ist.
5. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wicklung (2) zwischen den Eckbereichen achsparallele den Hauptstreukanal (5) offenhaltende Leisten trägt, die durch eine Bandage aus einer Verlängerung eines als Windungsisolierung dienenden Streifens aus Isolierwerkstoff in ihrer Einbaulage gehalten sind.
6. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten im Hauptstreukanal (5) mindestens teilweise von achsparallel gewellten metallische streifen als Wärmeleitbleche (6) dargestellt sind.
7. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstreukanal (5) im Bereich über den Kern- . querschnittsecken vollständig durch festen lsolierwerkstoff ausgefüllt ist.
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