EP3707736A1 - Transformator zur verwendung in einem schienenfahrzeug - Google Patents

Transformator zur verwendung in einem schienenfahrzeug

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EP3707736A1
EP3707736A1 EP18799765.5A EP18799765A EP3707736A1 EP 3707736 A1 EP3707736 A1 EP 3707736A1 EP 18799765 A EP18799765 A EP 18799765A EP 3707736 A1 EP3707736 A1 EP 3707736A1
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EP
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cross
core
sectional area
transformer
segments
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EP3707736B1 (de
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Frank Cornelius
Wolfgang Mönig
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Hitachi Energy Ltd
Original Assignee
ABB Power Grids Switzerland AG
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Publication date
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    • 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
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    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0233—Manufacturing of magnetic circuits made from sheets

Definitions

  • the invention relates to a transformer for use in a
  • Rail vehicle and / or for railway applications comprising a core, which is at least partially surrounded by at least one coil.
  • Conventional traction transformers typically use a core composed of multiple laminations. This creates several bumps and joints. If four laminated cores are used, usually four bumps and joints occur.
  • the core sheets used to make the core are stacked into packages and built into each other nested.
  • a coil is dictated by the geometry of the bobbin.
  • a round bobbin leads to a substantially round coil
  • a square bobbin leads to a more angular coil.
  • Conventionally available traction transformers are usually more circular or approximately rectangular geometries, the respective geometry is closely related to the particular manufacturing process used. In certain applications, however, a rather round or approximately rectangular geometry can be disadvantageous.
  • the invention is therefore based on the object to provide a transformer in which the geometry of a coil is variable as possible selectable. According to the invention the above object is achieved by a transformer with the features of claim 1.
  • the above-mentioned transformer is characterized in that the core is made of individual segments, wherein the total cross-sectional area of the core is greater than or equal to the sum of the individual cross-sectional areas of the segments and wherein at least two individual cross-sectional areas in their size and / or their geometric shape from each other and / or each of the
  • the core of the transformer is designed appropriately with regard to its weight, its mechanical properties and its geometry. It has also been recognized that there is a need for a particular core for railway application transformers, as it typically uses cores that are also used in transformers in industrial plants.
  • both the coils and the housing are easily modifiable and adaptable to web applications.
  • the geometries of the coil cross-sectional areas are easily adaptable to the geometry of the housing.
  • the structure of the transformer can be made more compact than before. With a more compact transformer, larger voltage and power ranges can be covered.
  • the segments are configured as core lamination packages.
  • a core can be made in the usual way. It can be used with different, but also with the same cross-sectional areas of laminated core packages to the
  • a single cross-sectional area preferably shows the geometry of a square, a rectangle, a trapezoid, a circle segment or another geometric surface with at least one straight side.
  • Segments can be created particularly well with their straight sides to other segments with straight sides. According to another preferred embodiment of the invention shows a
  • a coil cross-sectional area in addition to round areas in which the winding undergoes a change in direction, at least one oblique side, which is inclined to at least two parallel sides.
  • a coil under a slope in particular a roof slope of a rail vehicle, can be arranged.
  • a housing surrounds the core and at least two coils.
  • the housing has a housing cross-sectional area which is at least partially trapezoidal
  • the housing is in a rail vehicle or a
  • a rail vehicle preferably comprises a transformer of the type described here.
  • the transformer is preferably designed as a traction transformer.
  • Fig. 1 is a sectional view of a conventionally manufactured transformer for
  • Fig. 2 shows a transformer, wherein the geometries of
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of core lamination packets, wherein
  • Fig. 1 shows a transformer of the prior art
  • FIG. 2 shows a transformer 1 for use in a railway vehicle and / or for railway applications, comprising a core 2, which at least
  • the core 2 is made of individual segments, wherein the
  • Total cross-sectional area 2c of the core is greater than the sum of
  • Single cross-sectional areas 2a, 2b of the segments are shown in terms of their individual cross-sectional areas 2a, 2b in the upper part of Fig. 3.
  • the two individual cross-sectional areas 2a, 2b differ in their size from each other, so deviate from each other in size. Their surfaces are different in size.
  • the two individual cross-sectional areas 2a, 2b also differ from each other in their geometric shape and therefore also differ in terms of their
  • rectangles different aspect ratios On the left is a longer rectangle, on the right is a squat rectangle.
  • the two individual cross-sectional areas 2a, 2b also deviate in their geometric form from the total cross-sectional area 2c, which is hexagonal, has a stepped indentation and is not formed as a rectangle.
  • the segments are designed as core lamination packages. These form the core 2.
  • FIG. 3 shows that three individual cross-sectional areas 2a, 2b, 2ab each show the geometry of a rectangle.
  • Fig. 2 shows that a coil cross-sectional area 3a in addition to three round areas 6, in which the winding undergoes a change in direction by 90 °, at least one inclined side 7, which is inclined to at least two parallel sides 5a, 5b.
  • a housing 8 surrounds the core 2 and at least two coils 3, 4, which surround the core 2.
  • the housing 8 has a housing cross-sectional area 8a, which is designed in sections, namely in the upper portion of the housing 8, trapezoidal.
  • a work space 9 is shown schematically, which can be obtained by the configuration of the core 2 with respect to the embodiment of the prior art shown in FIG. Two, three or more than three segments may be used to construct the core 2. The segments can be connected to each other in the usual way.
  • the total cross-sectional area 2c and the individual cross-sectional areas 2a, 2b are oriented orthogonal to the direction of the magnetic flux through the core 2 and / or to the longitudinal axis of a coil 3, 4.
  • An unillustrated rail vehicle comprises the transformer 1.
  • 5b is the upper parallel side of FIG. 3a

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Abstract

Ein Transformator (1) zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern (2), welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule (3, 4) umgeben ist, ist im Hinblick auf die Aufgabe, einen Transformator anzugeben, bei welchem die Geometrie einer Spule möglichst variabel wählbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche (2c) des Kerns (2) größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder von der Gesamtquerschnittsfläche (2c) abweichen.

Description

Transformator zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Transformator zur Verwendung in einem
Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern, welcher zumindest abschnittsweise von mindestens einer Spule umgeben ist. In konventionellen Traktionstransformatoren wird üblicherweise ein Kern verwendet, der aus mehreren Blechpaketen zusammengesetzt ist. Hierbei entstehen mehrere Stoß- und Verbindungsstellen. Wenn vier Blechpakete verwendet werden, treten üblicherweise vier Stoß- und Verbindungsstellen auf. Die zur Fertigung des Kerns verwendeten Kernbleche werden zu Paketen gestapelt und ineinander verschachtelt aufgebaut.
Vor diesem Hintergrund wird die Geometrie einer Spule durch die Geometrie des Wickelkörpers vorgegeben. Ein runder Wickelkörper führt zu einer im Wesentlichen runden Spule, ein eckiger Wickelkörper führt zu einer eher eckigen Spule. Bei konventionell erhältlichen Traktionstransformatoren treten üblicherweise eher runde oder näherungsweise rechteckige Geometrien auf, wobei die jeweilige Geometrie eng mit dem jeweils angewendeten Fertigungsverfahren zusammenhängt. In bestimmten Anwendungsfällen kann aber eine eher runde oder näherungsweise rechteckige Geometrie nachteilig sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transformator anzugeben, bei welchem die Geometrie einer Spule möglichst variabel wählbar ist. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Transformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach ist der eingangs genannte Transformator dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche des Kerns größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder jeweils von der
Gesamtquerschnittsfläche abweichen.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass an einen Transformator für Bahnanwendungen besondere Anforderungen gestellt werden, nämlich
Anforderungen an sein Gewicht, an seine mechanischen Eigenschaften und an die Geometrie seines Gehäuses.
Darauf ist erkannt worden, dass diese Anforderungen im Wesentlichen dann erfüllt werden können, wenn der Kern des Transformators im Hinblick auf sein Gewicht, seine mechanischen Eigenschaften und seine Geometrie geeignet ausgelegt ist. Es ist auch erkannt worden, dass ein Bedarf nach einem besonderen Kern für Transformatoren für Bahnanwendungen besteht, da hierfür üblicherweise Kerne verwendet werden, die auch bei Transformatoren in Industrieanlagen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß ist schließlich erkannt worden, dass durch eine Modifikation der Gesamtquerschnittsfläche des Kerns sowohl die Spulen als auch das Gehäuse leicht modifizierbar und an Bahnanwendungen anpassbar sind. Die Geometrien der Spulenquerschnittsflächen sind leicht an die Geometrie des Gehäuses anpassbar. Hierdurch kann der Aufbau des Transformators kompakter als bisher gestaltet werden. Mit einem kompakteren Transformator können größere Spannungs- und Leistungsbereiche abgedeckt werden. Vorteilhaft sind die Segmente als Kernblechpakete ausgestaltet. Ein Kern kann so in üblicher weise gefertigt werden. Es können Kernblechpakete mit unterschiedlichen, aber auch mit gleichen Querschnittsflächen zum Einsatz kommen, um die
Gesamtquerschnittsfläche des Kerns puzzleartig oder mosaikartig zu gestalten. So sind Gesamtquerschnittsflächen erzeugbar, die von regelmäßigen Rechtecksflächen oder quadratischen Flächen abweichen und Auswölbungen oder Einbuchtungen aufweisen.
Vor diesem Hintergrund zeigt eine Einzelquerschnittsfläche bevorzugt die Geometrie eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Trapezes, eines Kreissegments oder einer anderen geometrischen Fläche mit mindestens einer geraden Seite. Solche
Segmente können besonders gut mit ihren geraden Seiten an andere Segmente mit geraden Seiten angelegt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt eine
Einzelquerschnittsfläche die Geometrie eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals oder einer anderen geometrischen Fläche mit einer gekrümmten Umrandung. Hierdurch können Gesamtquerschnittsflächen eines Kerns mit Auswölbungen oder Rundungen gefertigt werden.
Vorteilhaft weist eine Spulenquerschnittsfläche neben Rundbereichen, in denen die Wicklung eine Richtungsänderung erfährt, mindestens eine Schrägseite auf, die zu mindestens zwei parallelen Seiten geneigt ist. Hierdurch kann eine Spule unter einer Schräge, insbesondere einer Dachschräge eines Schienenfahrzeugs, angeordnet werden.
Vorteilhaft umfängt ein Gehäuse den Kern und mindestens zwei Spulen. Hierdurch sind die Spulen und der Kern vor einem Zugriff gesichert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse eine Gehäusequerschnittsfläche auf, die zumindest abschnittsweise trapezartig
ausgestaltet ist. Hierdurch ist das Gehäuse in ein Schienenfahrzeug oder ein
Bahnprofil einpassbar. Bevorzugt umfasst ein Schienenfahrzeug einen Transformator der hier beschriebenen Art. So kann ein kompakter und leistungsstarker Transformator in Bahnanwendungen eingesetzt werden. Der Transformator ist bevorzugt als Traktionstransformator ausgestaltet.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht eines konventionell gefertigten Transformators für
Bahnanwendungen mit zwei Spulen, deren Kern jeweils eine rechteckige
Gesamtquerschnittsfläche aufweist, wobei die Spulen eine im
Wesentlichen rechteckige Spulenquerschnittsfläche zeigen und wobei die Eckbereiche der Spulenquerschnittsflächen als Rundbereiche ausgebildet sind,
Fig. 2 zeigt einen Transformator, wobei die Geometrien der
Spulenquerschnittsflächen seiner Spulen den Abmessungen eines Bahnprofils angepasst sind, und Fig. 3 eine schematische Schnittansicht von Kernblechpaketen, wobei
beispielhaft zwei Gesamtquerschnittsflächen von Kernen durch Addieren bzw. Kombinieren von Kernblechpaketen mit unterschiedlichen Einzelquerschnittsflächen bzw. Abmessungen gefertigt werden. Fig. 1 zeigt einen Transformator des Stands der Technik, dessen äußere
Abmessungen durch ein Bahnprofil vorgegeben sind.
Fig. 2 zeigt einen Transformator 1 zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern 2, welcher zumindest
abschnittsweise von mindestens einer Spule 3 umgeben ist.
Der Kern 2 ist aus einzelnen Segmenten gefertigt, wobei die
Gesamtquerschnittsfläche 2c des Kerns größer als die Summe der
Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b der Segmente ist. Diese Segmente sind hinsichtlich ihrer Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b im oberen Teil von Fig. 3 dargestellt. Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b unterscheiden sich in ihrer Größe voneinander, weichen also voneinander in ihrer Größe ab. Ihre Flächen sind unterschiedlich groß.
Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b unterscheiden sich auch in ihrer geometrischen Form voneinander und weichen daher auch hinsichtlich ihrer
Geometrie voneinander ab. Zwar zeigen beide Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b jeweils die Geometrie eines Rechtecks, jedoch haben die Seiten der zwei
dargestellten Rechtecke unterschiedliche Längenverhältnisse. Links ist ein länglicheres Rechteck dargestellt, rechts ist ein gedrungeneres Rechteck dargestellt.
Die zwei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b weichen jeweils in ihrer geometrischen Form auch noch von der Gesamtquerschnittsfläche 2c ab, welche sechseckig ist, eine Stufeneinbuchtung aufweist und nicht als Rechteck ausgebildet ist. Die Segmente sind als Kernblechpakete ausgestaltet. Diese bilden den Kern 2.
Fig. 3 zeigt, dass drei Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b, 2ab jeweils die Geometrie eines Rechtecks zeigen. Fig. 2 zeigt, dass eine Spulenquerschnittsfläche 3a neben drei Rundbereichen 6, in denen die Wicklung eine Richtungsänderung um 90° erfährt, mindestens eine Schrägseite 7 aufweist, die zu mindestens zwei parallelen Seiten 5a, 5b geneigt ist.
Ein Gehäuse 8 umfängt den Kern 2 und mindestens zwei Spulen 3, 4, die den Kern 2 umfangen. Das Gehäuse 8 weist eine Gehäusequerschnittsfläche 8a auf, die abschnittsweise, nämlich im oberen Abschnitt des Gehäuses 8, trapezartig ausgestaltet ist. Im unteren Abschnitt des Gehäuses 8 ist schematisch ein Nutzraum 9 dargestellt, der durch die Ausgestaltung des Kerns 2 gegenüber der Ausgestaltung des Stands der Technik gemäß Fig. 2 gewonnen werden kann. Es können zwei, drei oder mehr als drei Segmente zum Aufbau des Kerns 2 verwendet werden. Die Segmente können in üblicher weise miteinander verbunden werden.
Die Gesamtquerschnittsfläche 2c und die Einzelquerschnittsflächen 2a, 2b sind orthogonal zur Richtung des magnetischen Flusses durch den Kern 2 und/ oder zur Längsachse einer Spule 3, 4 orientiert.
Ein nicht gezeigtes Schienenfahrzeug umfasst den Transformator 1 .
Bezuqszeichenliste
1 , 1 ' Transformator
2, 2' Kern von 1 , 1 '
2a Einzelquerschnittsfläche
2b Einzelquerschnittsfläche
2ab Einzelquerschnittsfläche
2c Gesamtquerschnittsfläche
2d Gesamtquerschnittsfläche
3 Spule
3a Spulenquerschnittsfläche
4 weitere Spule
5a untere parallele Seite von 3a
5b obere parallele Seite von 3a
6 Rundbereich von 3a
7 Schrägseite von 3a
8, 8' Gehäuse
8a Gehäusequerschnittsfläche
9 Nutzraum

Claims

Patentansprüche
1 . Transformator (1 ) zur Verwendung in einem Schienenfahrzeug und/ oder für Bahnanwendungen, umfassend einen Kern (2), welcher zumindest
abschnittsweise von mindestens einer Spule (3, 4) umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) aus einzelnen Segmenten gefertigt ist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche (2c) des Kerns (2) größer als die oder gleich der Summe der Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) der Segmente ist und wobei zumindest zwei Einzelquerschnittsflächen (2a, 2b, 2ab) in ihrer Größe und/ oder ihrer geometrischen Form voneinander und/ oder von der Gesamtquerschnittsfläche (2c) abweichen.
2. Transformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente als Kernblechpakete ausgestaltet sind.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelquerschnittsfläche (2a, 2b, 2ab) die Geometrie eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Trapezes, eines Kreissegments oder einer anderen
geometrischen Fläche mit mindestens einer geraden Seite zeigt.
4. Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Einzelquerschnittsfläche die Geometrie eines Kreises, einer Ellipse, eines Ovals oder einer anderen geometrischen Fläche mit einer gekrümmten Umrandung zeigt.
5. Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Spulenquerschnittsfläche (3a) neben
Rundbereichen (6), in denen die Wicklung eine Richtungsänderung erfährt, mindestens eine Schrägseite (7) aufweist, die zu mindestens zwei parallelen Seiten (5a, 5b) geneigt ist.
6. Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (8) den Kern (2) und mindestens zwei Spulen (3, 4) umfängt.
7. Transformator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) eine Gehäusequerschnittsfläche (8a) aufweist, die zumindest abschnittsweise trapezartig ausgestaltet ist.
8. Schienenfahrzeug, umfassend einen Transformator (1 ) nach einem der
voranstehenden Ansprüche.
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