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Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung umfassend wenigstens zwei hohlzylindrisch um eine gemeinsame Wickelachse angeordnete axial benachbarte Wicklungsmodule mit einem lagenweise gewickelten elektrischen Leiter sowie eine gemeinsame elektrische Isolationsschicht, durch welche die Wicklungsmodule umhüllt sind.
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Es ist allgemein bekannt, dass Leistungstransformatoren, beispielsweise mit einer Nennleistung von einigen MVA und in einem Spannungsbereich von beispielsweise 5kV bis 30kV oder 110kV, teilweise sogar bis 170kV, auch als Trockentransformatoren ausgeführt werden, wobei in dem zuletzt genannten Spannungsbereich durchaus auch Nennleistungen von 50MVA und darüber möglich sind. Die hochspannungsseitigen Wicklungen werden hierbei üblicherweise durch eine Mischung aus Glasroving und Epoxidharz isoliert, wobei die daraus gebildete Isolationsschicht die Wicklung zumeist umschließt.
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Aus konstruktiven Gründen ist es auch üblich, eine derartige Wicklung aus mehreren Wicklungsmodulen aufzubauen, also aus mehreren axial aneinandergrenzenden hohlzylindrischen Wicklungssegmenten, welche vorzugsweise radial innen galvanisch miteinander verbunden und somit elektrisch in Reihe geschaltet sind. Hierdurch wird die Spannungsbeanspruchung zwischen radial aneinandergrenzenden Wickellagen reduziert und damit auch der entsprechend erforderliche Isolationsaufwand.
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Dies hat allerdings zur Folge, dass bei Betrieb der Wicklung zwischen axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen an deren Stirnflächen eine erhöhte Spannungsdifferenz auftritt, welche zu einer erhöhten Beanspruchung der dazwischen befindlichen Isolationsschicht führt. Eine entsprechende Spannungsbeanspruchung tritt aber selbstverständlich auch auf, wenn galvanisch getrennte Wicklungen axial benachbart angeordnet sind. Das Isolationsmaterial als solches ist ohne weiteres derart dimensionierbar, dass es in seinem Inneren dieser Spannungsbeanspruchung standhält.
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Unter einer hohlzylindrischen Wicklung ist erfindungsgemäß nicht nur eine Wicklung mit kreisrundem Querschnitt zu verstehen, vielmehr beinhaltet dieser Begriff auch einen annähernd rechteckförmigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken. Auf diese Weise ist nämlich beim Einbau der Wicklung auf einen Transformatorkern mit rechteckigem Querschnitt das zur Verfügung stehende Wickelfenster in optimaler Weise ausgenutzt.
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Nachteilig ist jedoch, dass sich entlang der Außenfläche der Isolationsschicht der Wicklung und insbesondere über dem Bereich der axial aneinandergrenzenden Wicklungssegmente ebenfalls eine Potentialdifferenz aufbaut. Diese kann längs der Außenfläche der gemeinsamen Isolationsschicht der Wicklung zu unerwünschten Entladungen beziehungsweise Teildurchschlägen führen, was durch eine eventuelle Verschmutzung der Außenfläche noch begünstigt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Transformatorwicklung bereitzustellen, welche ein verbessertes Isolationsverhalten längs der Außenfläche der Isolationsschicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Transformatorwicklung der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht an ihrer radialen Außenfläche wenigstens eine quer zur Wickelachse ausgeprägte ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung aufweist.
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Eine derartige ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung verlängert in vorteilhafter Weise den Kriechweg längs der axialen Erstreckung der Oberfläche, wobei die Spannungsbeanspruchung aufgrund der axial benachbarten Anordnung der Wicklungsmodule ebenfalls längs der axialen Oberfläche erfolgt. Somit wird ― ähnlich wie bei Rippen eines Keramikisolators ― eine Erhöhung der Spannungsbelastbarkeit erreicht, wobei eine Erhöhung der Baugröße ― zumindest im Falle von Vertiefungen - in vorteilhafter Weise vermieden ist. Die Ausgestaltung einer Vertiefung oder einer Erhebung kann beispielsweise einen rechteckförmigen, halbkreisförmigen, parabelähnlichen, schirmähnlichen oder auch einen Gaußkurven-ähnlichen Querschnitt aufweisen. Wesentlich ist letztendlich eine Verlängerung des Kriechweges längs der Oberfläche und die Vermeidung der Ausbildung eines durchgehenden Feuchtigkeitsfilms auf der Oberfläche.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung umschließt die wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung oder Erhebung die Transformatorwicklung komplett, also in einem Winkel von 360° um die Wickelachse. Somit erfolgt in vorteilhafter Weise eine Verlängerung des axialen Kriechweges gleichmäßig über den kompletten Wicklungsumfang. Zudem ist hierdurch die Fertigung der Isolationsschicht, welche zumeist ebenfalls gewickelt ist, entsprechend vereinfacht. Aber auch beispielsweise ein nachträgliches Einfräsen einer ringartigen radialen Vertiefung in eine existierende Isolationsschicht ist dadurch vereinfacht.
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Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Variante ist wenigstens eine ringartige radiale Vertiefung zwischen den wenigstens zwei axial benachbarten Wicklungsmodulen angeordnet. Dort ist wie eingangs erwähnt mit der höchsten Spannungsdifferenz beziehungsweise Feldstärke zu rechen, weshalb sich dort eine Verlängerung des Kriechweges besonders vorteilhaft auf das lsolationsvermögen der Wicklung auswirkt. Zudem lässt sich eine derartige Vertiefung dort tiefer ausführen als direkt über einem Wicklungsmodul, weil die Vertiefung in den Zwischenraum zwischen den axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen hineinragen kann. Auf diese Weise ist der Kriechweg in dem isolationstechnisch kritischsten Bereich in besonders wirksamer Weise verlängert.
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Eine derartig angeordnete Vertiefung lässt sich erfindungsgemäß besonders wirkungsvoll realisieren, wenn eine radial außen liegende Wicklungslage eines Wicklungsmoduls gegenüber radial unter ihr liegenden Wicklungslagen axial verkürzt ist. Dann ist der zwischen den axial aneinandergrenzenden Wicklungsmodulen zur Verfügung stehende Zwischenraum im radial außen liegenden Bereich vergrößert, weshalb dort auch ein vergrößerter Raum für die Anordnung einer radialen ringartigen Vertiefung zur Verfügung gestellt ist. Die Isolationsfestigkeit ist bei entsprechender Ausgestaltung der Vertiefung damit in vorteilhafter Weise gesteigert.
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Die Transformatorwicklung lässt sich erfindungsgemäß besonders einfach fertigen, wenn diese auf einem Spulenkörper angeordnet ist. Als ebenso fertigungstechnisch vorteilhaft erweist es sich, wenn die Wicklung an ihren beiden axialen Stirnflächen von jeweils einer Stirnplatte begrenzt ist. Dann ist nämlich eine Art seitlich begrenzter Spulenkörper gebildet, welcher sich besonders für einen Wickelvorgang eignet, wobei vorzugsweise sowohl der elektrische Leiter als auch die Isolationsschicht in einem gemeinsamen Fertigungsprozess gewickelt werden.
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Entsprechend einer Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Wicklung weist diese wenigstens zwei Wicklungsmodule auf, welche radial innen galvanisch miteinander verbunden sind. Durch die Aufteilung einer Hochspannungswicklung in mehrere Wicklungsmodule ist nämlich in vorteilhafter Weise die Spannungsbeanspruchung zwischen benachbarten Wickellagen reduziert, was den Isolationsaufwand zwischen den Lagen in vorteilhafter Weise verringert. Bei der Verwendung von vier in Reihe geschalteten Wicklungsmodulen wären dann vorzugsweise die beiden axial äußeren mit den beiden axial inneren Wicklungsmodulen galvanisch radial innen verbunden und die beiden inneren Wicklungsmodule radial außen. Es ist erfindungsgemäß aber auch vorgesehen, dass die Wicklung wenigstens zwei Gruppen von jeweils zwei radial innen galvanisch miteinander verbundenen Wicklungsmodulen umfasst, welche nicht zwangsläufig galvanisch miteinander verbunden sind.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wicklung weist die gemeinsame elektrische Isolationsschicht ein gewickeltes Isolationsmaterial auf, beispielsweise einen Faserroving. Dieses kann fertigungstechnisch zusammen mit dem elektrischen Leiter gewickelt werden, wobei der Faserroving beispielsweise mit einem feuchten Epoxidharz getränkt ist. Nach einem derartigen Wicklungsvorgang ist die Wicklung dann zur Aushärtung des Harzes auf eine Polymerisationstemperatur, je nach verwendetem Harz beispielsweise 160°C, zu erhitzen, so dass das Harz dann vollständig aushärtet.
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Als besonders vorteilhaft für dass Wickeln von erfindungsgemäßen Vertiefungen oder Erhebungen erweist sich jedoch die Verwendung eines trockenen oder zumindest klebrigen, bandartigen Isolationsmaterials, weil dieses beim Wickelvorgang deutlich formstabiler ist. So ist dadurch beispielsweise das Wickeln einer Erhebung mit rechteckförmigem Querschnitt besonders einfach möglich, indem entsprechend viele Wickellagen eines trockenen Isolationsbandes übereinander gewickelt werden.
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Die Isolationsfähigkeit eines trocken gewickelten Isolationsbandes oder Faserrovings ist jedoch zumeist aufgrund der zwischen den Lagen entstehenden infinitesimal kleinen Spalte reduziert, zumal auch eine entsprechend hohe mechanische Stabilität schwer zu gewährleisten ist, gegebenenfalls durch die Verwendung einer Klebeschicht an einer flächigen Seite des Isolationsbandes. Erfindungsgemäß ist es daher auch vorgesehen, dass das gewickelte Isolationsmaterial ein mit Harz im B-Zustand vorimprägnierter Faserroving oder auch Glasfaserroving ist, welcher nach dem Wickelvorgang auf eine Polymerisationstemperatur erhitzt wurde.
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B-Zustand eines Harzes bedeutet, dass der Aushärtungsprozess des Harzes bereits begonnen aber anschließend gewollt unterbrochen wurde, so dass sich das Harz im Zustand der unvollständigen Polymerisierung befindet. B-Zustand eines Harzes kann aber auch bedeuten, dass dieses durch entsprechende Erwärmung auf eine Aufschmelztemperatur von beispielsweise 80°C und anschließendes Abkühlen in einen festen Zustand übergegangen ist, ohne dass die eigentliche chemische Reaktion der Polymerisation bereits initiiert wurde. In einem solchen Zustand lässt sich das Harz bei einer entsprechenden Temperatur wieder aufschmelzen, wobei die eigentliche Polymerisation bei einer Temperatur oberhalb der Aufschmelztemperatur stattfindet, beispielsweise bei einer Backtemperatur im Bereich von 120°C bis 140°C.
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Durch die Verwendung eines derartigen Harzes, insbesondere Epoxydharzes, ist sowohl ein formstabiler Wickelvorgang ermöglicht als auch durch den nachfolgenden Aufschmelz- und Polymerisationsprozess eine besonders hohe Isolationsfähigkeit und mechanische Stabilität.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung weist die gemeinsame elektrische Isolationsschicht eine zum Teil mittels des Isolationsmaterials eingewickelte quer zur Wickelachse angeordnete flexible Profilleiste auf, durch welche zumindest ein Teil der radialen ringartigen Vertiefungen oder Erhebungen gebildet ist. Die Profilleiste ist aus einem Isolationsmaterial gefertigt und ragt vorzugsweise mit einem ersten Teil aus der radialen Außenfläche der Isolationsschicht heraus und ist mit einem zweiten in der Isolationsschicht angeordnet und dadurch fixiert, dass vorzugsweise parallel zur Wickelachse verlaufende Profilbereiche mit gewickeltem Isolationsmaterial fixiert sind. Letztendlich ist die Profilleiste aber als Teil der Isolationsschicht selbst anzusehen, durch welche der Kriechweg in vorteilhafter Weise verlängert wird.
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Gemäß einer weiteren Variante der Transformatorwicklung weist die flexible Profilleiste einen T-förmigen Profilquerschnitt auf. Dieser ist besonders geeignet um in der Isolationsschicht verankert zu werden. Es sind aber auch weitere Profilformen wie ein mehrfach T Querschnitt, beispielsweise ein TTT-Querschnitt, denkbar, welcher dann bedarfsweise auch so tief in der Isolation anzuordnen wäre, dass er nicht herausragt sondern durch ihn eine Vertiefung gebildet ist.
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Einer weiteren Erfindungsvariante folgend besteht die flexible Profilleiste zumindest überwiegend aus einem Silikongummi. Dieses lässt sich aufgrund der hohen Materialflexibilität nämlich besonders einfach an die Außenkonturform der einer erfindungsgemäßen Wicklung anpassen, wobei aber selbstverständlich auch vorgebogene und gegebenenfalls weniger flexible Profilleistenstücke verwendbar sind.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile einer verbesserten Isolationsfähigkeit einer Wicklung erschließen sich auch für einen Transformator, welcher einen Transformatorkern sowie eine, bevorzugter Weise drei erfindungsgemäße Wicklungen aufweist. Diese werden zur Realisation eines dreiphasigen Transformators benötigt, wie er in Energieverteilungsnetzen üblich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung,
- Fig. 2
- einen Schnitt durch zweite exemplarische Transformatorwicklung sowie
- Fig. 3
- einen Schnitt durch Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung 10, welche rotationssymmetrisch um eine Wickelachse 16 angeordnet ist. Die Wicklung ist auf einem Spulenkörper 36 angeordnet, welcher an seinen axialen Enden von zwei Stirnplatten 38, 40 begrenzt ist. Es sind zwei axial aneinandergrenzende hohlzylindrische Wicklungsmodule 12, 14 vorgesehen, welche jeweils mehrere Wickellagen eines Einzelleiters 18, 20 umfassen. Eine Wickellage ist zeichnungstechnisch als waagerechter Strich dargestellt, welcher jedoch eine Vielzahl von axial nebeneinander liegenden Windungen eines Leiters 18, 20 symbolisiert, welcher seinerseits um die Wickelachse 16 angeordnet ist. Die beiden Wicklungsmodule 12, 14 sind mittels einer galvanischen Verbindung 34 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Durch die Aufteilung der Wicklung in zwei Wicklungsmodule 12, 14 ist die Spannungsbeanspruchung zwischen den einzelnen Wickellagen in vorteilhafter Weise halbiert. Beide Wicklungsmodule 12, 14 sind von einer gemeinsamen Isolationsschicht 22 umgeben, in diesem Fall ein gewickeltes mit einem Epoxidharz im B-Zustand vorimprägniertes Isolationsmaterial, was abschließend auf eine Polymerisationstemperatur erhitzt wurde. Die Isolationsschicht 22 umgibt nicht nur die Außenflächen der Wicklung, vielmehr ist es auch zwischen diese auch zwischen den einzelnen Wickellagen vorgesehen und stellt somit die elektrische Isolation zwischen den gewickelten Leiterlagen sicher.
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Im Betrieb der Wicklung 10 ergibt sich die höchste Spannungsbeanspruchung an der radialen Außenfläche 24 der Isolationsschicht genau zwischen den beiden Wicklungsmodulen 12, 14. Um eine Entladung oder einen Teildurchschlag längs der Außenfläche zu vermeiden sind zwei ringartige radiale 26 Vertiefungen 28, 30 und eine dazwischen liegende Erhebung 32 vorgesehen, welche insbesondere der Verlängerung des Kriechweges längs der axialen Erstreckung der Außenfläche 24 dienen.
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Radial innen liegend vorgesehen ist eine weitere Wicklung 42, welche eine unterspannungsseitige Wicklung symbolisieren soll, wohingegen die erfindungsgemäße radial außen liegende Wicklung eine oberspannungsseitige Wicklung mit einer Nennspannung von beispielsweise 60kV symbolisieren soll. Bei einer unterspannungsseitigen Wicklung ist eine erfindungsgemäße Verlängerung des Kriechweges aufgrund der mit einer niedrigeren Nennspannung von beispielsweise 6kV verbundenen geringeren Spannungsbelastung nicht von wesentlicher Bedeutung.
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Fig. 2 zeigt einen kompletten Schnitt durch eine zweite exemplarische Transformatorwicklung 50, also mit einem Teilschnitt oberhalb der Wickelachse 50 und mit einem Teilschnitt unterhalb der Wickelachse 56. Um die Wickelachse 56 angeordnet sind zwei hohlzylindrische und axial benachbarte Wicklungsmodule 52, 54, welche jeweils mit fünf Wickellagen angedeutet sind. In dem oberen Schnitt sind die galvanischen Verbindungen der Lagen zueinander und die galvanische Verbindung zwischen den Wicklungsmodulen 52, 54 dargestellt, während im unteren Schnitt lediglich die Wickellagen dargestellt sind. Die beiden Wicklungsmodule sind umgeben von einer gemeinsamen Isolationsschicht 68. An der radialen Außenfläche der Isolationsschicht 68 angeordnet sind fünf ringartige radiale Vertiefungen 58, 60, 62, 64, 66, welche der Kriechwegverlängerung dienen. Je nach konstruktiven Randbedingungen erweisen sich Vertiefungen gegenüber Erhebungen als vorteilhafter, weil diese keinen zusätzlichen Raumbedarf aufweisen und zudem eine Materialersparnis ermöglichen. Die jeweiligen radial außen liegenden beiden Wickellagen sind in der axialen Mitte der Wicklung 50 axial zurückgesetzt, so dass die ringartige radiale Vertiefung 58 entsprechend tiefer und größer ausgeführt werden konnte als die weiteren Vertiefungen 60, 62, 64, 66. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, weil in dem axialen Zwischenraum zwischen den beiden Wicklungsmodulen längs der Außenfläche der Isolationsschicht betriebsmäßig auch mit der höchsten Spannungsbeanspruchung zu rechnen ist. Daher korreliert die Verlängerung des Kriechweges in vorteilhafter Weise mit der lokalen Spannungsbeanspruchung.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung 70, welche um eine Wickelachse 80 angeordnet ist. Die Wicklung entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Wicklung 10, wobei im Unterschied hierzu jedoch vier axial benachbarte Wicklungsmodule 72, 74, 76, 78 vorgesehen sind, welche in jeweils zwei galvanisch miteinander verbundene Teilgruppen aus den Wicklungsmodulen 72 und 74 sowie 76 und 78 aufgeteilt sind, wobei die Gruppen ihrerseits galvanisch voneinander getrennt sind. Die Wicklungsmodule 72, 74, 76, 78 sind von einer gemeinsamen Isolationsschicht 82 umgeben beziehungsweise in diese eingeschlossen. Die höchsten Spannungsbeanspruchungen längs der radialen Außenfläche 90 tritt in axialer Richtung zwischen benachbarten Wicklungsmodulen 72, 74, 76, 78 auf. Dies sind auch genau die Bereiche, an welchen der Kriechweg in axialer Richtung durch entsprechende radiale ringähnliche Vertiefungen 84, 86, 88 verlängert wurde, so dass sich eine entsprechend erhöhte Spannungsfestigkeit ergibt.
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Eine weitere Kriechwegverlängerung im Bereich der aneinander grenzenden Teilgruppen 72, 74 und 76, 78 ist durch aus dem Isolationsmaterial herausragenden flexiblen Profilleisten 90, 92, 94 realisiert, wobei die in der Vertiefung 86 angeordnete Profilleiste lediglich aus dem Boden der Vertiefung herausragt, nicht aber aus der Wicklungsoberfläche. Die Profilleisten sind aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise einem Silikongummi gefertigt. In ihrem unteren, also radial innen liegenden Bereich, sind die T-förmigen Profilleisten durch mehrere, den quer verlaufenden T-Balken umschließenden, Lagen aus einem gewickelten Isolationsmaterial fixiert. Durch den aus der radialen Oberfläche der Isolationsschicht herausragenden Teil erfolgt dann die Kriechwegverlängerung.
Bezugszeichenliste
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- 10
- Schnitt durch Teil einer ersten exemplarischen Transformatorwicklung
- 12
- erstes Wicklungsmodul von erster Transformatorwicklung
- 14
- zweites Wicklungsmodul von erster Transformatorwicklung
- 16
- Wickelachse
- 18
- Leiter von erstem Wicklungsmodul
- 20
- Leiter von zweitem Wicklungsmodul
- 22
- erste gemeinsame elektrische Isolationsschicht
- 24
- radiale Außenfläche von erster Isolationsschicht
- 26
- radiale Ausrichtung
- 28
- erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 30
- zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 32
- erste quer zur Wickelachse verlaufende Erhebung
- 34
- galvanische Verbindung
- 36
- Spulenkörper
- 38
- erste Stirnplatte
- 40
- zweite Stirnplatte
- 42
- weitere Transformatorwicklung
- 50
- Schnitt durch zweite exemplarische Transformatorwicklung
- 52
- erstes Wicklungsmodul von zweiter Transformatorwicklung
- 54
- zweites Wicklungsmodul von zweiter Transformatorwicklung
- 56
- Wickelachse
- 58
- erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 60
- zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 62
- dritte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 64
- vierte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 66
- fünfte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 68
- zweite gemeinsame elektrische Isolationsschicht
- 70
- Schnitt durch Teil einer dritten exemplarischen Transformatorwicklung
- 72
- erstes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
- 74
- zweites Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
- 76
- drittes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
- 78
- viertes Wicklungsmodul von dritter Transformatorwicklung
- 80
- Wickelachse
- 82
- dritte gemeinsame elektrische Isolationsschicht
- 84
- erste quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 86
- zweite quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 88
- dritte quer zur Wickelachse verlaufende Vertiefung
- 90
- radiale Außenfläche von dritter Isolationsschicht
- 92
- erste flexible Profilleiste
- 94
- zweite flexible Profilleiste
- 96
- dritte flexible Profilleiste
