EP2549495B1

EP2549495B1 - Trockentransformator

Info

Publication number: EP2549495B1
Application number: EP11005855.9A
Authority: EP
Inventors: Marcos Bockholt; Michael Luckey; Wolfgang Mönig; Benjamin Weber
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2031-07-18
Also published as: WO2013010611A1; EP2549495A1; US20140132381A1; CN103688322A; ES2679821T3; US9761366B2; CN103688322B

Description

Die Erfindung betrifft einen Trockentransformator für mobile Anwendungen, umfassend einen Transformatorkern und wenigstens ein radial inneres erstes und ein radial äußeres zweites um eine gemeinsame Wickelachse gewickeltes und von dem Transformatorkern durchgriffenes hohlzylindrisches Wicklungssegment, welche ineinander verschachtelt und radial voneinander beabstandet sind, so dass dazwischen ein hohlzylindrischer Kühlkanal ausgeprägt ist, wobei zur Beabstandung Abstandselemente vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass der Kühlkanal in axialer Richtung von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Es ist allgemein bekannt, dass für die Übertragung von elektrischer Energie entsprechende leitungsgebundene Versorgungsnetze zur Verfügung stehen. Je nach zu übertragender elektrischer Leistung weisen diese eine Nennspannung von beispielsweise 380kV, 110kV oder auch 10kV auf, wobei typischerweise eine Netzfrequenz von 50 beziehungsweise 60Hz zum Einsatz kommt. Ein Versorgungsnetz für die Versorgung stationärer Verbraucher ist typischerweise 3-phasig aufgebaut, es steht also ein System mit drei Versorgungsleitungen zur Verfügen, bei denen im symmetrischen Zustand Strom und Spannung bei einer Phasenverschiebung von jeweils 120° zueinander betragsmäßig gleich sind.
Energieversorgungssysteme für mobile Verbraucher, wie beispielsweise Eisenbahnen oder Straßenbahnen sind typischerweise einphasig aufgebaut, d.h. die Versorgung erfolgt über eine einzelne Versorgungsleitung wobei die Rückleitung dann über die metallische Schiene erfolgt. Bei Oberleitungsbussen sind aufgrund der nicht vorhandenen und als Rückleiter benutzbaren Schiene in der Regel zwei Versorgungsleitungen vorgesehen. Üblicherweise beträgt die Netzfrequenz bei derartigen Anwendungen zumindest in Europa 16 2/3 Hertz, in einigen Fällen wie S-Bahnen kommt auch vereinzelt Gleichspannung zur Anwendung.
Zur Transformation der typischen Wechselversorgungsspannung von 10kV bis 15kV sind mobile Transformatoren vorgesehen, welche dann beispielsweise in den Unterflurbereich eines Personenzuges integriert werden.
Diese haben aufgrund der Unterfluranordnung nur einen insbesondere bezüglich der Höhe sehr begrenzten Raum zur Verfügung und sind zumeist als Öltransformatoren ausgeführt. Das Öl dient hierbei einerseits als Kühlmittel zur Abführung der im Betrieb entstehenden Verlustwärme als auch als Isolationsmittel, durch welches geringere Isolationsabstände und damit eine kompakte Bauform realisiert werden können.
Das Dokument US2011/0063062 offenbart einen Transformator mit Transformatorkern sowie einem radial inneren ersten und einem radial äußeren zweiten um eine gemeinsame Wickelachse gewickelten und von dem Transformatorkern durchgriffenen hohlzylindrischen Wicklungssegment, welche ineinander verschachtelt und radial voneinander beabstandet sind, so dass dazwischen ein hohlzylindrischer Kühlkanal ausgeprägt ist, wobei zur Beabstandung Abstandselemente vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass der Kühlkanal in axialer Richtung von einem Kühlmittel durchströmbar ist.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass ein derartiger Transformator aus mechanischen Gründen zumeist nur stehend angeordnet werden kann, was aber dem flachen Platzangebot im Unterflurbereich entgegensteht. Zudem ist aus Sicherheitsgründen Öl als brennbares Medium in einem Verkehrsmittel wenn möglich zu vermeiden. In diesem Fall entfällt insbesondere die Kühlwirkung des Öls.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen möglichst flexibel anzuordnenden Trockentransformator für mobile Anwendungen anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Trockentransformator wie im Anspruch 1 definiert. Durch den Wegfall des Öls als Kühlmittel, welches die im Betrieb entstehende Verlustwärme beispielsweise zu einem Wärmetauscher abführt, ist ein alternatives Kühlsystem vorzusehen, welches ohne Öl sondern vorzugsweise mit Luft arbeitet. Aufgrund der geringeren Wärmekapazität von Luft ist daher erfindungsgemäß eine deutlich vergrößerte Kontaktfläche der Transformatorwicklung zum Kühlmedium vorgesehen. Fernerhin ist ein erhöhter Kühlmitteldurchsatz, beispielsweise mittels eines Gebläses, von Vorteil.
Dies wird insbesondere durch die Kühlkanäle erreicht, welche zwischen den ineinander verschachtelten hohlzylindrischen Wicklungssegmenten vorgesehen sind. Diese dienen einerseits der Beeinflussung der Kurzschlussimpedanz des erfindungsgemäßen Trockentransformators, sind also auch als Streukanal anzusehen, insofern sie zwischen zwei galvanisch getrennten Wicklungssegmenten angeordnet sind. Andererseits dienen die diese der Kühlung der Transformatorwicklung von innen. Erfindungsgemäß ist es nämlich vorgesehen ein Kühlmittel, insbesondere Luft, forciert durch diese Kühlkanäle strömen zu lassen. Luft bietet den Vorteil, dass die erwärmte Luft ohne zusätzlichen Wärmetauscher direkt an die Umgebung abgegeben werden kann. Erfindungsgemäß sind zur Erhöhung der Kühlfläche optional auch weitere Kühlkanäle vorgesehen, beispielsweise zwischen mehreren in Reihe geschalteten Wicklungssegmenten, welche eine Unter- oder Oberspannungswicklung bilden. Hierdurch wird jedoch der benötigte Raumbedarf des erfindungsgemäßen Trockentransformators gegenüber einem vergleichbaren Öltransformator erhöht.
Deshalb ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Transformator liegend anzuordnen, so dass die Wickelachse der Wicklungen also in einer waagerechten Ebene verläuft. Hierdurch wird eine besonders flache und eher flächigere Bauweise des Transformators erreicht, welche dem zur Verfügung stehenden flachen aber eher großflächigen Raumangebot im Unterflurbereich entgegenkommt.
Die Beabstandung der hohlzylindrischen Wicklungssegmente ist durch Abstandselemente aus isolierendem Material vorgesehen, durch welche eine Abstützung in zumindest überwiegend radialer Richtung zur Wickelachse gegeben ist. Die Aufstellung eines derartigen Trockentransformators nach dem Stand der Technik ist senkrecht. Dies hat zum einen kühltechnische Gründe, nämlich dass dann sich längs der Wickelachse erstreckende Kühlkanäle dann durch natürliche Kühlung betreibbar sind, indem Umgebungsluft von unten nach oben durch die Kühlkanäle strömt. Dies ist zum anderen aber auch mechanisch bedingt. Bei senkrechter Anordnung steht der Transformator nämlich auf der Unterseite seines Transformatorkernes, womit sein gesamtes Gewicht, beispielsweise 500kg bis 1000kg, direkt über die Auflagefläche des Transformatorkerns auf die Standfläche abgetragen werden kann. Die auf den Schenkeln des Transformatorkerns angeordneten Wicklungen sind somit stehend ausgerichtet und damit überwiegend Gewichtskräften in Richtung der Wickelachse ausgesetzt. Eine Kraftbeanspruchung in der Wicklung einer Richtung radial zur Wickelachse erfolgt in einer stehenden Ausrichtung des Transformators nicht.
Aufgrund der typischerweise nicht vorhandenen beziehungsweise nur unwesentlichen Kraftbeanspruchung in radialer Richtung sind die Abstützelemente der Kühlkanäle eines Trockentransformators des Standes der Technik auch entsprechend nicht für eine derartige radiale Kraftbeanspruchung ausgelegt. Dennoch ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Trockentransformator liegend auf entsprechenden Auflageflächen seiner Wicklungen anordenbar oder zumindest lagerbar zu machen. Selbst wenn ein Trockentransformator im Unterflurbereich überwiegend an den Seiten seines Transformatorkerns befestigt ist, so dass eigentlich dessen Gewicht nicht über die Wicklungen abzutragen wäre, so ist dessen Transformatorkern aber mit einer Länge von beispielsweise 2m so lang, dass schwerkraftbedingt eine Durchbiegung desselben erfolgt. Somit ist selbst in diesem Fall die Wicklung erfindungsgemäß zur Aufnahme von erhöhten radial wirkenden Kräften zu ertüchtigen, um einem Durchbiegen entgegen zu wirken.
Um die erfindungsgemäße liegende Anordnung des Trockentransformators auf entsprechenden Auflageflächen der Außenflächen der Wicklungen zu realisieren, sind die jeweiligen Wicklungen entsprechend auch zur Aufnahme radialer Kraftbeanspruchungen zu ertüchtigen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen die Anordnung von Abstandselementen in für eine bestimmte liegende Anordnungsposition des Transformators kritischen Bereichen entsprechend zu verdichten, so dass die maximale Druckbeanspruchung pro Grundfläche eines Abstandselementes auch bei liegender Position des Trockentransformators nicht überschritten wird. Alternativ zu einem Isolierwerkstoff, wie beispielsweise einem glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff oder Pressspan, ist je nach Spannungsverhältnissen über dem Kühlkanal auch die Verwendung eines Metalls für ein Abstandselement denkbar, beispielsweise ein massives Aluminiumprofil, insofern der Kühlkanal zwischen mehreren Segmenten einer Unterspannungswicklung von beispielsweise 400V befindlich ist. In diesem Fall ist aufgrund der geringen Spannungsbeanspruchung keine Isolationsfähigkeit des Abstandselementes gefordert, diese wird vielmehr bereits von der üblichen Isolation des Wickelleiters übernommen. Eine typische Baugröße eines erfindungsgemäßen Transformators mit einem Zweischenkelkern weist beispielsweise eine Länge von, 1,5m - 2,5m, eine Höhe von 0,75m und eine Breite von 1,5m auf.
Der erfindungsgemäße Trockentransformator vermeidet in vorteilhafter Weise die Verwendung von Öl und verfügt dennoch über entsprechende Kühlmöglichkeiten. Fernerhin ist er durch seine liegende Anordnung in Flachbauweise ausgeführt, so dass er einfach in den Unterflurbereich einer Lokomotive beziehungsweise eines Waggons integrierbar ist. Durch eine selektive Verstärkung beziehungsweise Verdichtung der Abstandselemente in den Kühlkanälen ist für eine liegende Position des Transformators eine entsprechende Stabilisierung der Wicklung(en) erfolgt, um das gesamte Gewicht des Transformators nach unten abzutragen. Das wenigstens eine zweite Wicklungssegment weist genau eine jeweilige Vorzugsauflagefläche auf, über ausschließlich welche das anteilige Gewicht des liegenden Transformators abtragbar ist, ohne dass eine Deformation der Kühlkanäle erfolgt. Der Trockentransformator weist dann eine bestimmte liegende Vorzugsposition auf. Somit sind die Abstandselemente lediglich für die Vorzugsposition zu verstärken oder zu verdichten, so dass der Aufwand für die Verstärkung auf ein Minimum reduziert ist. Weiter sind daher die Abstandselemente in radialer Richtung zur jeweiligen Auflagefläche verdichtet angeordnet, so dass sich in den entsprechenden Bereichen des Kühlkanals eine erhöhte radiale Druckbeanspruchbarkeit ergibt. Es besteht grundsätzlich bei gegebenem Material der Abstandselemente die Möglichkeit, diese in den entsprechenden Bereichen entweder in einem geringeren Abstand zueinander, also verdichtet, anzuordnen, oder aber auch, die Breite beziehungsweise Kontaktflächen der Abstandselemente entsprechend zu erhöhen.
Einer weiteren Ausführungsform der Erfindung folgend sind die Abstandselemente leisten- oder kanalähnlich ausgeprägt und erstrecken sich vorzugsweise längs der Wickelachse. Hierdurch wird der hohlzylindrische Kühlkanal in mehrere strömungstechnisch günstig in axialer Richtung verlaufende Kühlkanäle unterteilt. Die Kühlwirkung wird damit in vorteilhafter Weise verbessert und homogenisiert.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Abstandselemente als punktuelle Stützelemente ausgeprägt. Dies bietet zum einen fertigungstechnische Vorteile, wobei beispielsweise bei entsprechend diagonal zur axialen Richtung versetzter Anordnung der punktuellen Stützelemente ebenfalls eine verbesserte Kühlwirkung erzielt wird. Ein punktuelles Stützelement weist beispielsweise einen kreisrunden Grundriss auf, beispielsweise mit einem Durchmesser von 4cm, und eine Höhe von ebenfalls 4cm, je nach gewünschter Ausprägung des Streu- beziehungsweise des Kühlkanals.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Trockentransformators ist ein jeweiliges hohlzylindrisches drittes zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Wicklungssegmenten verschachteltes Wicklungssegment vorgesehen, wobei zwischen den jeweiligen Wicklungssegmenten jeweils ein Kühlkanal vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das wenigstens eine radial innere erste und das wenigstens eine radial äußere zweite Wicklungssegment für Unterspannung vorgesehen und das wenigstens eine radial mittlere dritte Wicklungssegment für Oberspannung. Durch die atypische Anordnung der Oberspannungswicklung, also beispielsweise mit einer Nennspannung von 15kV, zwischen zwei Unterspannungswicklungen, beispielsweise mit einer Nennspannung von 0,4kV, wird die Kurzschlussimpedanz des Transformators in vorteilhafter Weise erhöht, was dann im Fehlerfall zu reduzierten Kurzschlussströmen führt. Die radial innere Wicklung ist beispielsweise für die Versorgung einer Zugheizung vorgesehen, während die radial äußere Wicklung dann für die Versorgung des Antriebs vorgesehen ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Transformatorkern genau zwei Schenkel auf um welche jeweils wenigstens ein erstes und ein zweites Wicklungssegment angeordnet sind. Die Zweischenkelausführung ist insbesondere unter Berücksichtigung der Einphasigkeit eines Bahnstromversorgungsnetzes von Vorteil. Die Aufteilung der jeweiligen Unter- und Oberspannungswicklungen auf die beiden Schenkel führt zu einer erhöhten Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumangebotes und damit zu einer möglichst kompakten Bauweise des erfindungsgemäßen Transformators.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Trockentransformator ist dieser in einem ihn umschließenden Gehäuse angeordnet, welches eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, wobei innerhalb des Gehäuses Luftleitbleche vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass durch die Einlassöffnung eintretendes Kühlmittel längs jeweiliger verschachtelter Wicklungssegmente serpentinenähnlich durch das Gehäuse beziehungsweise die Kühlkanäle oder in ihnen gebildeten Streukanälen zur Auslassöffnung geführt ist. Das Gehäuse bietet einerseits einen mechanischen Schutz des Transformators, was insbesondere bei der Anordnung im Unterflurbereich von Vorteil ist. Die Führung der Kühlluft längs durch Luftleitbleche festgelegter Kanäle vorzugsweise durch die Kühl- beziehungsweise Streukanäle verbessert die Kühlwirkung. Durch die serpentinenähnliche Führung der Kühlluft längs jeweiliger Wicklungssegmente ist insbesondere für die Variante mit zwei verschachtelten Wicklungssegmenten erreicht, dass Ein- und Auslassöffnung auf derselben Seite des Transformatorgehäuses sind. Dies erleichtert den wartungsbedingten Einbeziehungsweise Ausbau eines derartigen Transformators. Vorzugsweise ist ein Gebläse vorgesehen, um Kühlluft durch die Wicklungssegmente zu pressen.
In einer weiteren Erfindungsvariante sind das Gehäuse und darin verwendete Haltekonstruktionen wie beispielsweise die Pressbalken für den Transformatorkern in Leichtbauweise gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Das Gewicht des Transformators wird dadurch in vorteilhafter Weise reduziert, was insbesondere aufgrund des vorgesehenen mobilen Einsatzes des Transformators beispielsweise in Schienenfahrzeugen von Vorteil ist.
Vorteilhafterweise sind vibrationsdämpfende und an die Form der jeweiligen Auflageflächen angepasste Abstützelemente vorgesehen sind, durch welche der Trockentransformator an den Auflageflächen abgestützt und/oder fixiert ist. Durch die Anpassung der beispielsweise keilähnlichen und beispielsweise aus einem Hartgummi bestehenden Abstützelemente auf die äußere Form der jeweiligen Auflageflächen ist eine homogene Druckbelastung der Auflageflächen gewährleistet. Aufgrund der virbrationsdämpfenden Eigenschaften der Abstützelemente sind sowohl die Eigenschwingung des Transformators im Betrieb, beispielsweise 16 2/3 Hz, als auch Stoßeinwirkungen durch die Bewegung beispielsweise einer Lokomotive, in welcher der Transformator integriert ist, gedämpft.
Einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trockentransformators folgend sind ineinander verschachtelte Wicklungssegmente miteinander vergossen. Dies erhöht die mechanische Stabilität des elektrischen Teils der Wicklung und steigert in vorteilhafter Weise die jeweilige Druckbeanspruchbarkeit. Ein Verguss beziehungsweise eine Verfestigung der Wicklung erfolgt beispielsweise mittels eines Epoxydharzes. Gegebenenfalls ist auch ein bandähnliches Prepregmaterial als Lagenisolation zwischen jeweiligen Wickellagen verwendbar, welches beim Wickeln der Windungen eingebracht wird. In einem abschließenden Erhitzungsprozess wird die Transformatorwicklung erhitzt und das in dem Prepreg enthaltene Harz im B-Zustand wird vollständig polymerisiert, was dann zu einer mechanischen Stabilisierung der jeweiligen Wicklungen führt.
Erfindungsgemäß ist es in einer Variante vorgesehen, dass jeweilige erste, jeweilige zweite und/oder jeweilige dritte Wicklungssegmente galvanisch miteinander verbunden sind. Dies kann sowohl mittels einer Reihen- als auch einer Parallelschaltung erfolgen. Vorzugsweise werden Oberspannungswicklungen zur Reduktion der Spannungsbeanspruchung in Reihe geschaltet und Unterspannungswicklungen zur Erhöhung der Strombelastbarkeit parallel. Typischerweise umfasst ein erfindungsgemäßer Transformator einen Zweischenkelkern mit jeweils zwei ineinander geschachtelten Wicklungsanordnungen. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere jeweilige erste, zweite und/oder dritte in derselben Wicklungsanordnung ineinandergeschachtelte Wicklungssegmente beispielsweise in Reihe zu schalten.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass das wenigstens eine erste und das wenigstens eine zweite Wicklungssegment galvanisch in Reihe geschaltet sind, so dass ein Spartransformator gebildet ist. Dieser weist optional mehrere Anzapfungen auf und zeichnet sich durch eine besonders hohe Leistungsdichte aus.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch einen exemplarischen hohlzylindrischen Kühlkanal,
Fig. 2: einen ersten Schnitt durch exemplarische ineinander geschachtelte Wicklungssegmente,
Fig. 3: einen zweiten Schnitt durch exemplarische ineinander geschachtelte Wicklungssegmente,
Fig. 4: eine Schnittansicht von einem exemplarischen ersten Trockentransformator sowie
Fig. 5: eine Schnittansicht von einem exemplarischen zweiten Trockentransformator.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt 10 durch einen exemplarischen hohlzylindrischen Kühlkanal, wobei die radial innen und außen angrenzenden Wicklungssegmente nicht dargestellt sind. Zwischen einer radial äußeren 12 und radial inneren 14 Begrenzung ist ein hohlzylindrischer Kühlkanal gebildet, in welchem in radialer Richtung leistenähnliche Abstandselemente 24, 26, 28 angeordnet sind, welche sich längs der Achse der Wicklung erstrecken. Diese sind beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Verbundmaterial oder Pressspan gefertigt. Zwischen den Abstandselementen 24, 26, 28 sind dadurch sich längs der axialen Erstreckung Kanäle 16, 18, 20, 22 gebildet, welche erfindungsgemäß als Kühlkanäle zum Durchströmen mit Luft vorgesehen sind. Der Kühlkanal ist in seiner Sollausrichtung gezeigt, wobei in dem unteren Bereich die Abstandselementen 24, 26, 28 dichter, also mit geringerem Abstand zueinander, angeordnet sind. Deshalb ist die Druckbelastbarkeit des Kühlkanals in seinem unteren Bereich derart erhöht, das hierüber das Gewicht eines nicht gezeigten Transformators beziehungsweise Transformatorkerns abgetragen werden kann, ohne dass eine Deformation des Kühlkanals beziehungsweise des durch diesen gebildeten Streukanals erfolgt.
Fig. 2 zeigt einen ersten Schnitt 30 durch ineinander geschachtelte Wicklungssegmente 32, 34, welche in diesem Fall einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen. Eine derartige Querschnittsform ist vorteilhaft zur Erhöhung des Füllfaktors beziehungsweise zur maximalen Ausnutzung des begrenzten Raumangebotes im Unterflurbereich eines Eisenbahnwaggons oder einer Lokomotive. Die radiale Beabstandung des ersten 34 und zweiten 32 Wicklungssegmentes erfolgt durch leistenähnliche Abstandselemente 40, 42, wobei dazwischen jeweilige Kühlkanäle 36, 38 gebildet sind. Die ineinander geschachtelten Wicklungssegmente sind in ihrer Sollausrichtung gezeigt, also liegend, wobei im unteren Bereich eine Auflagefläche 44 angedeutet ist. Zur Erhöhung der Druckbeanspruchbarkeit der ineinander geschachtelten Wicklungssegmente in radialer Richtung zur Auflagefläche 44 ist die Verteilung der Abstandselemente im unteren Bereich entsprechend verdichtet.
Fig. 3 zeigt einen zweiten Schnitt durch ineinander geschachtelte Wicklungssegmente 54, 56, 58, welche in diesem Fall einen kreisähnlichen Querschnitt aufweisen. Zwischen den Wicklungssegmenten 54, 56, 58 sind als Kühlkanäle dienende Kühlkanäle 60, 62 ausgebildet, wobei die in diesen vorgesehenen Abstandselemente in dieser Darstellung nicht gezeigt sind. Das radial innere erste Wicklungssegment 54 umschließt einen Transformatorkernschenkel 52 und ist elektrisch gesehen eine Unterspannungswicklung, beispielsweise eine 400V Versorgung für eine Zugheizung. Das radial mittlere dritte Wicklungssegment stellt eine Oberspannungswicklung dar, beispielsweise eine 15kV Wicklung, welche von einer Oberleitung einer Bahnstromversorgung gespeist wird. Die radial äußere zweite Wicklung 58 ist eine Unterspannungswicklung und versorgt beispielsweise den elektrischen Antrieb einer nicht gezeigten Lokomotive.
Fig. 4 zeigt eine seitliche Schnittansicht 70 von einem exemplarischen ersten Trockentransformator. In einem Aluminiumgehäuse 72 liegend angeordnet ist ein Zweischenkeltransformatorkern 86, welcher an jedem seiner Schenkel von jeweiligen Anordnungen ineinander geschachtelter Wicklungssegmente 82, 84 umschlossen ist. Es sind jeweils drei hohlzylindrische Wicklungssegmente ineinander geschachtelt, wobei radial dazwischen jeweilige hohlzylindrische Kühl- beziehungsweise Streukanäle vorgesehen sind. An den jeweiligen unteren Bereichen der Anordnungen der ineinander geschachtelten Wicklungssegmente sind keilähnliche und auf die Form der äußeren Kontur Auflageflächen der der radial äußeren Wicklungssegmente angepasste Abstützelemente 78 aus einem Hartgummimaterial vorgesehen, über welche das Gewicht der Wicklungen und des Transformatorkerns anteilig nach unten abgetragen werden. Diese sind ihrerseits auf einem jeweiligen Zwischenelement 76, beispielsweise einer Aluminiumleiste, angeordnet. Im oberen Bereich sind jeweilige von der Form her ähnliche Dämpfungselemente 88 vorgesehen, welche eine Fixierung der Wicklungen 82, 84 beziehungsweise des Transformators in dem Gehäuse 72 ermöglichen, welche jedoch selbstverständlich nicht der Abtragung des Gewichtes dienen. Ein Luftleitblech 74 zwischen den Wicklungsanordnungen 82, 84 dient der Ausprägung eines jeweiligen Führungskanals für Kühlmittel, welcher sich längs der Wicklungssegmente erstreckt. Die Dimensionen des Gehäuses betragen beispielsweise 0,7m in der Höhe, 1,6m in der Breite und 2,4m in der Länge. Durch die liegende Anordnung ist trotz des durch die Kühlkanäle bedingten erhöhten Raumbedarfs eine Anordnung im Unterflurbereich eines Eisenbahnwaggons möglich.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht 90 von einem exemplarischen zweiten Trockentransformator. Dieser entspricht im Wesentlichen dem in der Fig. 4 gezeigten, ist aber in einer Draufsichtperspetive dargestellt. In einem Gehäuse 112 liegend angeordnet ist ein Zweischenkeltransformatorkern 92, welcher an seinen beiden Schenkeln von ineinandergeschachtelten hohlzylindrischen Wicklungssegmenten 94, 96 umschlossen ist. Das Gehäuse 112 weist eine Einlassöffnung 98 und eine Auslassöffnung 100 auf, wobei mittels Luftleitblechen 106, 108 ,110 eine serpentinenähnliche Führung von einströmender Luft 102 durch das Gehäuse gewährleistet ist. Die mit einem nicht gezeigten Gebläse eingebrachte Luft erwärmt sich beim Durchströmen des inneren Gehäuses in der mit entsprechenden Pfeilen angedeuteten Richtung und tritt dann an der Austrittsöffnung 100 als erwärmter Luftstrom 104 wieder aus.

Bezugszeichenliste

10: Schnitt durch exemplarischen hohlzylindrischen Kühlkanal
12: radial äußere Begrenzung des Kühlkanals
14: radial innere Begrenzung des Kühlkanals
16: erstes Kühlkanalsegment
18: zweites Kühlkanalsegment
20: drittes Kühlkanalsegment
22: viertes Kühlkanalsegment
24: erstes Abstandselement des Kühlkanals
26: zweites Abstandselement des Kühlkanals
28: drittes Abstandselement des Kühlkanals
30: ersten Schnitt durch ineinander geschachtelte Wicklungssegmente
32: radial äußeres zweites Wicklungssegment
34: radial inneres erstes Wicklungssegment
36: erster Kühlkanalsegment der geschachtelten Wicklungssegmente
38: zweites Kühlkanalsegment der geschachtelten Wicklungssegmente
40: erstes Abstandselement
42: zweites Abstandselement
44: Auflagefläche
50: zweiter Schnitt durch ineinander geschachtelte Wicklungssegmente
52: Transformatorkernschenkel
54: erstes Wicklungssegment
56: drittes Wicklungssegment
58: zweites Wicklungssegment
60: erster Kühlkanal
62: zweiter Kühlkanal
70: Schnittansicht von exemplarischem ersten Trockentransformator
72: Gehäuse
74: erstes Luftleitblech
76: Zwischenelement
78: Abstützelement
80: Luftkanal
82: erste ineinandergeschachtelte Wicklungssegmente
84: zweite ineinandergeschachtelte Wicklungssegmente
86: Transformatorkernjoch
88: Dämpfungselement
90: Schnittansicht von exemplarischem zweitem Trockentransformator
92: Transformatorkern
94: erste ineinander geschachtelte Wicklungssegmente
96: zweite ineinander geschachtelte Wicklungssegmente
98: Einlassöffnung
100: Auslassöffnung
102: einströmende Luft
104: ausströmende Luft
106: zweites Luftleitblech
108: drittes Luftleitblech
110: viertes Luftleitblech
112: Gehäuse

Claims

Trockentransformator (70, 90) für mobile Anwendungen, umfassend einen Transformatorkern (52, 86, 92) und wenigstens ein radial inneres erstes (34, 54) und ein radial äußeres zweites (32, 58) um eine gemeinsame Wickelachse gewickeltes und von dem Transformatorkern (86, 92) durchgriffenes hohlzylindrisches Wicklungssegment, welche ineinander verschachtelt und radial voneinander beabstandet sind, so dass dazwischen ein hohlzylindrischer Kühlkanal (10, 60, 62) ausgeprägt ist, wobei zur Beabstandung Abstandselemente (24, 26, 28, 40, 42) vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass der Kühlkanal (10, 60, 62) in axialer Richtung von einem Kühlmittel durchströmbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abstandselemente (24, 26, 28, 40, 42) längs des radialen Umfangs des Kühlkanals (10, 60, 62) über dessen axiale Länge in radialer Richtung zur einer jeweiligen Vorzugsauflagefläche (44) an der Außenfläche des wenigstens einen zweiten Wicklungssegmentes (32, 58) verdichtet angeordnet sind, so dass sich in den entsprechenden Bereichen des Kühlkanals (10, 60, 62) eine erhöhte radiale Druckbeanspruchbarkeit ergibt und keine Deformation des Kühlkanals (10, 60, 62) erfolgt, wenn das anteilige Gewicht des mit waagerecht ausgerichteter Wickelachse liegenden Trockentransformators ausschließlich an der Vorzugsauflagefläche (44) abgetragen wird.
Trockentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (24, 26, 28, 40, 42) leisten- oder kanalähnlich ausgeprägt sind und sich vorzugsweise längs der Wickelachse erstrecken.
Trockentransformator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (24, 26, 28, 40, 42) als punktuelle Stützelemente ausgeprägt sind.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges hohlzylindrisches drittes (56) zwischen dem jeweiligen ersten (34, 54) und zweiten (32, 58) Wicklungssegmenten verschachteltes Wicklungssegment vorgesehen ist, wobei zwischen den jeweiligen Wicklungssegmenten (32, 34, 54, 56, 58) jeweils ein Kühlkanal (10, 60, 62) vorgesehen ist.
Trockentransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine radial innere erste (34, 54) und das wenigstens eine radial äußere zweite (32, 58) Wicklungssegment für Unterspannung vorgesehen ist und das wenigstens eine radial mittlere dritte Wicklungssegment (56) für Oberspannung.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern (52, 86, 92) genau zwei Schenkel (52) aufweist um welche jeweils wenigstens ein erstes (34, 54) und ein zweites (32, 58) Wicklungssegment angeordnet sind.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einem ihn umschließenden Gehäuse (72, 112) angeordnet ist, welches eine Einlassöffnung (98) und eine Auslassöffnung (100) aufweist, wobei innerhalb des Gehäuses (72, 112) Luftleitbleche (74, 106, 108, 110) vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass durch die Einlassöffnung (98) eintretendes Kühlmittel längs jeweiliger verschachtelter Wicklungssegmente (30) serpentinenähnlich durch das Gehäuse (72, 112) beziehungsweise die Kühlkanäle (10, 60, 62) oder in ihnen gebildeten Kühlkanälen (16, 18, 20, 22, 36, 38) zur Auslassöffnung geführt ist.
Trockentransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (72, 112) und darin verwendete Haltekonstruktionen in Leichtbauweise gefertigt sind.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vibrationsdämpfende und an die Form der jeweiligen Vorzugsauflagefläche (44) angepasste Abstützelemente (78) vorgesehen sind, durch welche der Trockentransformator an den Vorzugsauflageflächen (44) abgestützt und/oder fixiert ist.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ineinander verschachtelte Wicklungssegmente (30) miteinander vergossen sind.
Trockentransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige erste (34, 54), jeweilige zweite (32, 58) und/oder jeweilige dritte (56) Wicklungssegmente galvanisch miteinander verbunden sind.
Trockentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste (34, 54) und das wenigstens eine zweite (32, 58) Wicklungssegment galvanisch in Reihe geschaltet sind, so dass ein Spartransformator gebildet ist.