EP3910654A1 - Transformator mit zylinderwicklung - Google Patents

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EP3910654A1
EP3910654A1 EP20174391.1A EP20174391A EP3910654A1 EP 3910654 A1 EP3910654 A1 EP 3910654A1 EP 20174391 A EP20174391 A EP 20174391A EP 3910654 A1 EP3910654 A1 EP 3910654A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
transformer
partial
windings
leg
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20174391.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Lutze
Eberhard Drechsler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20174391.1A priority Critical patent/EP3910654A1/de
Publication of EP3910654A1 publication Critical patent/EP3910654A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H01F30/10—Single-phase transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • H01F2019/085—Transformer for galvanic isolation

Definitions

  • the invention relates to a transformer with a first and a second winding, the first winding and the second winding being arranged concentrically around one leg of the transformer.
  • the invention also relates to a method for operating such a transformer.
  • the invention also relates to a computer program product for simulating an operating behavior of a transformer.
  • Transformers come in a variety of designs. They are used, for example, to generate a predeterminable voltage level, to connect different voltage levels with one another and / or to establish a galvanic separation between two areas. Depending on the application, transformers are operated at different frequencies. In power distribution networks often with 16 2/3 Hz, 50 Hz or 60 Hz. Medium-frequency transformers are used in the frequency range between 100Hz and 500kHz.
  • transformers have a winding system with at least one primary and one secondary winding, as well as a core for guiding the magnetic flux.
  • the part of the core around which the windings are arranged is called the main leg.
  • Further legs run parallel to this, but they have no winding and are used for the return of the magnetic circuit. These are also referred to as return legs.
  • Most of the legs are arranged parallel to one another.
  • the legs, both main legs and return legs, are connected to one another via a yoke or a plurality of yokes in such a way that a closed circle is produced as a core for guiding the magnetic flux.
  • the core of the leg and yoke for guiding the magnetic circuit is formed, for example, from a ferrite that the magnetic Can guide and guide flow well and with little loss, without going into saturation.
  • the transformer described in more detail here has a cylinder winding.
  • the winding system with its windings is then constructed in the shape of a cylinder. With two windings, the outer winding surrounds the inner winding in the radial direction. When cutting through these windings, concentric circles of the windings are created.
  • the cylinder winding is therefore also described in that the windings are arranged concentrically around one leg.
  • the winding system with its two windings should be able to be produced independently of the magnetic circuit, so that only the winding system has to be connected to the magnetic circuit material during the production of the transformer.
  • a transformer that has a cylindrical winding and only windings are arranged around exactly one leg is also known as a round transformer.
  • the winding system of a round transformer cannot be distributed to two or more legs via partial windings, so that the current to be transmitted only flows via one primary-side and one secondary-side winding. At most it is possible to wind several lines parallel to one another to form a winding system.
  • the invention is based on the object of improving a transformer, in particular a circular transformer.
  • a transformer having a first winding and a second winding, the first winding and the second winding being arranged concentrically around a leg of the transformer, the first winding comprising a first partial winding and a second partial winding, the second winding is arranged between the first partial winding of the first winding and the second partial winding of the first winding.
  • this task solved by a method for operating such a transformer, wherein the transformer is operated with currents and / or voltages with a frequency in the range from 100 Hz to 500 kHz.
  • the object is also achieved by a computer program product for simulating an operating behavior of such a transformer in an electrical environment.
  • the invention is based on the knowledge that a transformer with a cylindrical winding can be improved by splitting a first winding into two partial windings and these partial windings encompassing the second winding of the transformer from inside and outside as seen in the radial direction. This results in a build-up of the winding from the inside, starting at the leg, to the outside, i.e. with an increasing radius from the first partial winding of the first winding, followed by the second winding. This is then followed by the second partial winding of the first winding. This division minimizes the interactions between the two windings in such a way that the current displacement has a uniform effect on the first winding and the second winding.
  • the same effective cross section can thus be used for the conductors of the first and the second winding.
  • the conductor is formed, for example, by a line or a wire which is arranged wound around a leg in a cylindrical shape.
  • a winding can be formed by several parallel lines to increase the effective cross section.
  • the effective cross-section results, among other things, from the number of parallel lines in the winding.
  • the current displacement due to the magnetic coupling increases the resistance of the conductor. This means that in the proposed arrangement, due to the low current displacement, the same number of parallel lines can be provided for the first and the second winding, and thus the same resistance results in the windings.
  • the transmission ratio when the transmission ratio is equal to 1, the number of parallel lines for producing the winding or the effective line cross-section of the respective windings can be selected to be the same, since in this case the same current flows in the windings. If the transmission ratio is not equal to 1, it has proven to be advantageous to select the number of lines of the respective windings or the effective cross-sections of the lines in the ratio of the transmission ratio, since the losses are then evenly distributed over the windings. This ensures that only a smaller cross-sectional area is required on the high-voltage side, where a lower current flows.
  • a transformer constructed in this way is particularly suitable for use in the medium frequency range, i.e. frequencies in the range from 100 Hz to 500 kHz. These medium-frequency components have a particularly strong effect on the current displacement in the conductor. Without dividing the first winding into two partial windings for low-loss operation for the outer winding of the cylinder winding, even with a transmission ratio of one, a multiple of electrically parallel lines is provided in order to enable low-loss operation. Due to the large radius of the outer winding, such a transformer would become disproportionately expensive if one wanted to transform or decouple voltages / currents in the medium frequency range with this transformer, such as galvanically isolating them.
  • the proposed transformer with the division of the first winding into two partial windings, which, viewed radially, surround the second winding from inside and outside, also has the advantage of uniform heating.
  • cooling air can also be guided between the respective partial winding and the second winding.
  • the transformer can also be cooled significantly better through these additional cooling air paths.
  • the heating of the winding and core is also improved, i.e. reduced, and thus makes it possible to save both copper and magnetic material.
  • the simple geometry of the winding arrangement also allows time to be saved during manufacture.
  • the electrical environment refers to components with which the transformer is in electrical interaction. These are, for example, electrical consumers that are supplied with electrical energy from a source via the transformer or electrical consumers that are operated in parallel on one winding of the transformer.
  • the first partial winding and the second partial winding of the first winding are arranged electrically in parallel.
  • the parallel connection has a particularly positive effect on the stray fields between the two windings and thus on the interactions between the two windings.
  • the effective line cross-sections of the first winding and the second winding differ depending on the transmission ratio.
  • the transformation ratio is not equal to one, i.e. the transformer is at least not used exclusively for galvanic decoupling
  • the windings differ in the high-voltage and low-voltage side. Different currents can be observed on the high-voltage side and the low-voltage side. Due to the current displacement effect, the resistance in the relevant line increases. This resistance has a direct effect on the losses in the winding, which are noticeable through heat. It has thus proven advantageous to provide a higher effective cross section on the low voltage side, for example by using several parallel lines.
  • the loss behavior can thus be improved even further.
  • the measure of the further parallel line is also particularly effective, since, due to the division of the first winding into two partial windings, the cross-section of the additional lines is much more effective for improving the loss behavior. There is little or no skin effect is present, the entire introduced cross-sectional area of the line is effectively used for current conduction.
  • the ratio of the effective cross sections of the lines of the first winding and the second winding can correspond to the transmission ratio or the square of the transmission ratio in an advantageous embodiment. A particularly even distribution of the losses and particularly good utilization of the copper in the lines of the corresponding winding can thus be achieved.
  • a particularly low-loss and, moreover, light and inexpensive transformer can be produced, since the copper of the conductors or lines can be used particularly effectively.
  • the transformer has a transformation ratio of 1.
  • a transmission ratio of 1 at which the windings do not differ in terms of high voltage and low voltage and thus the same currents flow, it is particularly advantageous to have the same effective cross section of the windings. This means that the losses are also evenly distributed over the windings, since the current displacement due to the division of the first winding between the two partial windings loads the first and second windings uniformly.
  • the number of parallel lines can be chosen to be the same for each winding in a simple manner. This enables the same effective cross section to be achieved in the first and second windings in a simple manner while saving on conductor material such as copper.
  • the transformer has precisely one central main leg on which the first winding and the second winding are applied.
  • the main limb On which the first winding and the second winding are applied, it is often sufficient to execute windings only around one limb, which is then referred to as the main limb.
  • the windings are each smaller in size and can therefore then be applied to only one leg or attached or arranged on only one leg. This also makes transformers of this type particularly small in size. It is also possible to use material with lower magnetic conductivity for the core, since the path of the magnetic flux in the core is sometimes significantly shorter and thus lower losses occur even with inexpensive core material.
  • the transformer has a plurality of return legs, which are evenly distributed on a circular path around the central main leg.
  • the compact design makes it possible to provide several return legs, for example five or more, which are arranged uniformly on a circular path around the main leg.
  • the yoke is then star-shaped. In this way, too, compact structures of a transformer can be produced, which can ensure high levels of efficiency even when using inexpensive materials. Due to the large number of return legs, these return legs can be dimensioned smaller than the main leg and thus, among other things, reduce the structural volume of the transformer.
  • the FIG 1 shows a transformer 1 with a cylinder winding as is known from the prior art.
  • Two windings 11, 12 are produced and nested around a leg 2, the so-called main leg, of the magnetic circuit, ie arranged concentrically.
  • the magnetic flux for coupling the two windings 11, 12 is guided in a core.
  • the core has the leg 2, on which the windings are applied, also referred to as the main leg, the return legs 3, which are arranged parallel to the main legs, and the yoke 4, which connects the legs 2, both the main legs and the return legs 3, to one another on both sides, on.
  • the two windings are usually electrically separated from one another by an insulating element.
  • the inner winding has, for example, to ensure the required current-carrying capacity, two parallel lines that are wound around the leg.
  • the outer winding is made up of four parallel lines, whereby two layers can be wound with two parallel lines. Due to the asymmetrical winding of the transformer 1, there is increased copper expenditure, since the magnetic fields of the primary and secondary windings have an unfavorable influence on one another and this leads to increased current displacement effects.
  • the current displacement effects can be viewed as an increase in resistance in the individual lines, so that a higher line cross-section, as described above, for example through the use of several parallel lines, can or must be used to compensate for this increase in resistance. Even with one A transformation ratio of 1 is therefore provided for a different number of parallel lines and thus different effective cross-sections due to the current displacement for the two windings. The effect of current displacement is stronger the higher the frequency with which the transformer is operated.
  • FIG 2 shows a section through the proposed transformer 1.
  • the first winding 11 is formed by a first partial winding 21 and a second partial winding 22. These two partial windings 21, 22 radially surround the second winding 12 of the transformer 1.
  • the resulting magnetic field between the windings 11, 12 or partial windings 21, 22 largely avoids current displacement effects and the two windings 11, 12 also operate during operation approximately the same electrical resistance.
  • the star-shaped yoke 4 closes the magnetic circuit, which results from a centrally arranged leg 2 and five return legs 3.
  • the leg 2, to which the windings 11, 12 are attached, and the yoke leg 3 are covered by the yoke 4 and are therefore not visible, but only indicated by the reference symbols.
  • the legs 2 and return legs 3 of this arrangement are in another section through the transformer 1 of FIG 3 clearly visible.
  • an insulating material 6 is arranged between the partial windings 21, 22 and the second winding 12 in order to reliably avoid an undesired flow of current between the windings 11, 12 and the partial windings 21, 22 and a galvanic To ensure separation.
  • FIG 3 shows a further section through the proposed transformer 1.
  • the closed magnetic circuit is formed by the main leg 2, the yoke leg 3 and the yokes 4, which connect the main leg 2 and yoke leg 3 to one another on both sides.
  • the transformer 1 can also have further return legs 3.
  • the transformer 1 can use the five in FIG 2 Have shown return leg.
  • the yoke legs 3 can advantageously be evenly distributed on a circular path around the main leg 2.
  • each layer represents a line that is wound around the leg 2. It can thus be clearly seen that the first partial winding 21 and the second partial winding 22 each have a line 5, which are preferably arranged electrically in parallel, while the second winding 12 has two lines which are arranged radially one above the other.
  • Both the lines of the two partial windings 21, 22 and the two lines of the second winding 12 are advantageously connected in parallel Windings 11, 12 result in the same equivalent resistance or at least an almost identical equivalent resistance which differs by a maximum of 5%.
  • the invention relates to a transformer having a first winding and a second winding, the first winding and the second winding being arranged concentrically around a leg of the transformer.
  • the first winding comprises a first partial winding and a second partial winding, the second winding being arranged between the first partial winding of the first winding and the second partial winding of the first winding.
  • the invention also relates to a method for operating such a transformer, the transformer being operated with currents and / or voltages with a frequency in the range from 100 Hz to 500 kHz.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (1) aufweisend eine erste Wicklung (11) und eine zweite Wicklung (12) wobei die erste Wicklung (11) und die zweite Wicklung (12) konzentrisch um einen Schenkel (2) des Transformators (1) angeordnet sind. Zur Verbesserung des Transformators (1) wird vorgeschlagen, dass die erste Wicklung (11) eine erste Teilwicklung (21) und eine zweite Teilwicklung (22) umfasst, wobei die zweite Wicklung (12) zwischen der ersten Teilwicklung (21) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Teilwicklung (22) der ersten Wicklung (11) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Transformators (1), wobei der Transformator (1) mit Strömen und/oder Spannungen mit einer Frequenz im Bereich von 100Hz bis 500kHz betrieben wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Computerprogrammprodukt zur Simulation eines Betriebsverhaltens eines derartigen Transformators (1) in einer elektrischen Umgebung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Transformator mit einer ersten und einer zweiten Wicklung, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung konzentrisch um einen Schenkel des Transformators angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Transformators. Die Erfindung betrifft weiter ein Computerprogrammprodukt zur Simulation eines Betriebsverhaltens eines Transformators.
  • Transformatoren gibt es in einer Vielzahl von Ausprägungen. Sie dienen beispielsweise dazu, ein vorgebbares Spannungsniveau zu erzeugen, unterschiedliche Spannungsniveaus miteinander zu verbinden und/oder eine galvanische Trennung zwischen zwei Bereichen herzustellen. Je nach Anwendungsfall werden Transformatoren mit unterschiedlicher Frequenz betrieben. In Energieverteilungsnetzen oftmals mit 16 2/3Hz, 50Hz oder 60Hz. Mittelfrequenztransformatoren kommen im Frequenzbereich zwischen 100Hz und 500kHz zum Einsatz.
  • Allgemein weisen Transformatoren ein Wicklungssystem mit zumindest einer primär- und einer sekundärseitigen Wicklung, sowie einen Kern für die Führung des magnetischen Flusses auf. Der Teil des Kerns, um den die Wicklungen angeordnet sind, wird als Hauptschenkel bezeichnet. Dazu parallel verlaufen weitere Schenkel, die jedoch keine Wicklung aufweisen, und zum Rückschluss des Magnetkreises dienen. Diese werden auch als Rückschlussschenkel bezeichnet. Zumeist sind alle Schenkel parallel zueinander angeordnet. Die Schenkel, sowohl Hauptschenkel als auch Rückschlussschenkel, sind über ein Joch oder mehrere Joche derart miteinander verbunden, dass sich ein geschlossener Kreis als Kern für die Führung des magnetischen Flusses ergibt.
  • Der Kern aus Schenkel und Joch zur Führung des Magnetkreises wird beispielsweise aus einem Ferrit gebildet, dass den magnetischen Fluss gut und verlustarm führen und leiten kann, ohne in Sättigung zu gehen.
  • Der hier näher beschriebene Transformator weist eine Zylinderwicklungen auf. Das Wicklungssystem mit seinen Wicklungen ist dann zylinderförmig aufgebaut. Bei zwei Wicklungen umgibt die äußere Wicklung die innere Wicklung in radialer Richtung. Bei einem Schnitt durch diese Wicklungen entstehen konzentrische Kreise der Wicklungen. Daher beschreibt man die Zylinderwicklung auch dadurch, dass die Wicklungen konzentrisch um einen Schenkel angeordnet sind.
  • Das Wicklungssystem mit seinen beiden Wicklungen sollte unabhängig von dem Magnetkreis herstellbar sein, sodass bei der Fertigung des Transformators nur noch das Wicklungssystem mit dem Magnetkreismaterial verbunden werden muss.
  • Ein Transformator, der eine Zylinderwicklung besitzt und nur Wicklungen um genau einen Schenkel angeordnet sind, wird auch als Rundtransformator bezeichnet. Das Wicklungssystem eines Rundtransformators kann jedoch nicht über Teilwicklungen auf zwei bzw. mehrere Schenkel verteilt werden, sodass der zu übertragende Strom nur über die eine primärseitige und die eine sekundärseitige Wicklung fließt. Allenfalls ist es möglich, mehrere Leitungen für die Bildung eines Wicklungssystems parallel zueinander zu wickeln.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator, insbesondere einen Rundtransformator, zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Transformator, aufweisend eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung, gelöst, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung konzentrisch um einen Schenkel des Transformators angeordnet sind, wobei die erste Wicklung eine erste Teilwicklung und eine zweite Teilwicklung umfasst, wobei die zweite Wicklung zwischen der ersten Teilwicklung der ersten Wicklung und der zweiten Teilwicklung der ersten Wicklung angeordnet ist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Transformators gelöst, wobei der Transformator mit Strömen und/oder Spannungen mit einer Frequenz im Bereich von 100Hz bis 500kHz betrieben wird. Die Aufgabe wird weiter durch ein Computerprogrammprodukt zur Simulation eines Betriebsverhaltens eines derartigen Transformators in einer elektrischen Umgebung gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein Transformator mit Zylinderwicklung dadurch verbessern lässt, dass eine erste Wicklung auf zwei Teilwicklungen aufgeteilt wird und diese Teilwicklungen die zweite Wicklung des Transformators in radialer Richtung gesehen von innen und außen umschließen. Daraus ergibt sich ein Aufbau der Wicklung von innen, am Schenkel beginnend, nach außen, also mit steigendem Radius von erster Teilwicklung der ersten Wicklung, gefolgt von der zweiten Wicklung. Daran schließt sich dann die zweite Teilwicklung der ersten Wicklung an. Durch diese Aufteilung werden die Wechselwirkungen zwischen den beiden Wicklungen derart minimiert, dass sich die Stromverdrängung gleichmäßig auf die erste Wicklung und die zweite Wicklung auswirkt. Somit kann für die Leiter der ersten und der zweiten Wicklung der gleiche wirksame Querschnitt verwendet werden. Der Leiter wird beispielsweise durch eine Leitung oder einen Draht gebildet, der zylinderförmig gewickelt um einen Schenkel angeordnet ist. Eine Wicklung kann dabei zur Erhöhung des wirksamen Querschnitts durch mehrere parallele Leitungen gebildet werden. Der wirksame Querschnitt ergibt sich unter anderem aus der Anzahl der parallelen Leitungen in der Wicklung. Durch die Stromverdrängung aufgrund der magnetischen Kopplung erhöht sich der Widerstand des Leiters. Das heißt, dass bei der vorgeschlagenen Anordnung aufgrund der geringen Stromverdrängung für die erste und die zweite Wicklung die gleiche Anzahl an parallelen Leitungen vorgesehen werden kann und sich damit ein gleicher Widerstand in den Wicklungen ergibt.
  • Insbesondere dann, wenn das Übersetzungsverhältnis gleich 1 ist, können die Anzahl der parallelen Leitungen zur Herstellung der Wicklung bzw. der wirksame Leitungsquerschnitt der jeweiligen Wicklungen gleich gewählt werden, da in diesem Fall der gleiche Strom in den Wicklungen fließt. Falls das Übersetzungsverhältnis ungleich 1 ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Anzahl der Leitungen der jeweiligen Wicklungen bzw. die wirksamen Querschnitte der Leitungen im Verhältnis des Übersetzungsverhältnisses zu wählen, da dann die Verluste gleichmäßig auf die Wicklungen verteilt werden. Damit ist sichergestellt, dass auf der Oberspannungsseite, wo ein geringerer Strom fließt auch nur eine geringere Querschnittsfläche benötigt wird.
  • Insgesamt führt somit unabhängig vom Übersetzungsverhältnis des Transformators die Aufteilung der ersten Wicklung auf zwei Teilwicklungen, zu einer besseren Ausnutzung des Kupfers, da die Stromverdrängung in den einzelnen Leitungen des Wicklungssystems, d.h. in den einzelnen Leitungen der Wicklungen, teilweise deutlich reduziert wird. Mit anderen Worten kann trotz Verwendung von weniger Leitermaterial der elektrische Widerstand für den Leiter reduziert werden. Durch den geringeren Bedarf an Kupfer wird der Transformator nicht nur leichter, sondern auch teilweise deutlich kostengünstiger. Ebenso werden die Wicklungen vom Bauraum her kleiner, so dass auch der Kern des Transformators kleiner, leichter und kostengünstiger wird. Der Transformator lässt sich daher aufgrund seiner geringeren Baugröße auch leichter in unterschiedliche Anwendungen integrieren.
  • Da der Effekt der Stromverdrängung in der Leitung der Wicklungen sich mit steigender Frequenz in Form des Skin Effekts deutlich stärker bemerkbar macht, eignet sich ein derart aufgebauter Transformator insbesondere für die Verwendung im Mittelfrequenzbereich, also von Frequenzen im Bereich von 100Hz bis 500kHz. Diese mittelfrequenten Anteile wirken sich besonders stark auf die Stromverdrängung im Leiter aus. Ohne Aufteilung der ersten Wicklung auf zwei Teilwicklungen müsste man für einen verlustarmen Betrieb für die äußere Wicklung der Zylinderwicklung auch bei einem Übersetzungsverhältnis von eins ein Vielfaches von elektrisch parallel angeordneten Leitungen vorsehen, um einen verlustarmen Betrieb zu ermöglichen. Aufgrund des hohen Radius der außen liegenden Wicklung würde ein solcher Transformator unverhältnismäßig teuer werden, wenn man mit diesem Transformator Spannungen/Strömen im Mittelfrequenzbereich transformieren oder entkoppeln, wie beispielsweise galvanisch trennen, möchte.
  • Der vorgeschlagene Transformator mit der Aufteilung der ersten Wicklung auf zwei Teilwicklungen, welche die zweite Wicklung radial gesehen von innen und außen umgeben, weist darüber hinaus den Vorteil einer gleichmäßigen Erwärmung auf. Darüber hinaus lässt sich auch Kühlluft zwischen der jeweiligen Teilwicklung und der zweiten Wicklung führen. Durch diese weiteren Kühlluftwege lässt sich der Transformator auch deutlich besser kühlen. Des Weiteren wird durch die Verringerung der Stromverdrängungen und damit der Verbesserung des elektrischen Widerstands der Wicklungen auch die Erwärmung von Wicklung und Kern verbessert, d.h. verringert, und macht damit Einsparung sowohl von Kupfer als auch Magnetwerkstoff möglich. Die einfache Geometrie der Wicklungsanordnung erlaubt darüber hinaus auch gleichzeitig eine Zeiteinsparung bei der Fertigung.
  • Durch die geringeren parasitären Effekte lässt sich auch das Betriebsverhalten leichter und vor allem genauer simulieren. Durch die Einbindung eines Modells für den Transformator kann das Betriebsverhalten einer gesamten Anlage genau untersucht, berechnet und beobachtet werden. Mit der elektrischen Umgebung sind Komponenten gemeint, mit den der Transformator in einer elektrischen Wechselwirkung steht. Das sind zum Beispiel elektrische Verbraucher, die von einer Quelle über den Transformator mit elektrischer Energie versorgt werden oder elektrische Verbraucher, die parallel an einer Wicklung des Transformators betrieben werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung der ersten Wicklung elektrisch parallel angeordnet. Die Parallelschaltung weist sich besonders positiv auf die Streufelder zwischen den beiden Wicklungen und damit auf die Wechselwirkungen zwischen den zwei Wicklungen aus. Durch die Parallelschaltung der beiden Teilwicklungen, aus der sich dann eine doppelt so große wirksame Querschnittsfläche im Vergleich zu einer einzelnen Teilwicklung ergibt, werden die Stromverdrängungseffekte in den Leitungen, insbesondere in den Leitungen der zweiten Wicklung, zum Teil deutlich reduziert. Die zweite Wicklung kann dann, insbesondere bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 mit der gleichen wirksamen Querschnittsfläche ausgeführt werden wie die erste Wicklung.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die effektive Leitungsquerschnitte der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung in Abhängigkeit vom Übersetzungsverhältnis. Gerade für den Fall, dass das Übersetzungsverhältnis ungleich eins ist, also der Transformator zumindest nicht ausschließlich nur zur galvanischen Entkopplung genutzt wird, unterscheiden sich die Wicklungen in Oberspannungs- und Unterspannungsseite. Dabei sind auf der Oberspannungsseite und der Unterspannungsseite unterschiedliche Stromstärken zu beobachten. Durch den Stromverdrängungseffekt wächst der Widerstand in der betreffenden Leitung. Dieser Widertand wirkt sich direkt auf die Verluste in der Wicklung aus, die sich durch Wärme bemerkbar macht. Somit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auf der Unterspannungsseite einen höheren wirksamen Querschnitt, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer paralleler Leitungen, vorzusehen. Damit kann das Verlustverhalten neben der Aufteilung der ersten Wicklung auf zwei Teilwicklungen noch weiter verbessert werden. Auch ist die Maßnahme der weiteren parallelen Leitung besonders wirkungsvoll, da aufgrund der Aufteilung der ersten Wicklung auf zwei Teilwicklungen der Querschnitt der zusätzlichen Leitungen für die Verbesserung des Verlustverhaltens deutlich besser wirksam wird. Da kein oder nur ein geringer Skin Effekt vorhanden ist, wird die gesamte eingebrachte Querschnittsfläche der Leitung effektiv für die Stromführung genutzt. Insbesondere kann das Verhältnis der wirksamen Querschnitte der Leitungen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung in einer vorteilhaften Ausgestaltung dem Übersetzungsverhältnis oder dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses entsprechen. Damit lässt sich eine besonders gleichmäßige Aufteilung der Verluste und eine besonders gute Ausnutzung des Kupfers in den Leitungen der entsprechenden Wicklung erzielen. In Kombination mit der geringeren Stromverdrängung ist ein besonders verlustarmer und darüber hinaus leichter und preisgünstiger Transformator herstellbar, da das Kupfer der Leiter bzw. Leitungen besonders wirkungsvoll eingesetzt werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von 1 auf. Gerade bei einem Übersetzungsverhältnis von 1, bei dem sich die Wicklungen nicht in Oberspannung und Unterspannung unterscheiden und somit auch die gleichen Ströme fließen, ist es besonders vorteilhaft, den wirksamen Querschnitt der Wicklungen gleich auszuführen. Damit sind auch die Verluste gleich auf die Wicklungen verteilt, da die Stromverdrängung durch die Aufteilung der ersten Wicklung auf die beiden Teilwicklungen die erste und die zweite Wicklung thermisch gleichmäßig belastet. Zur Herstellung des gleichen wirksamen Querschnitts können auf einfache Weise die Anzahl der parallelen Leitungen für jede Wicklung gleich gewählt werden. Damit lässt sich unter Einsparung von Leitermaterial wie Kupfer auf einfache Weise der gleiche wirksame Querschnitt in der ersten und zweiten Wicklung erzielen.
  • Auf diese Weise lassen sich besonders einfach, kleine und leichte Transformatoren für eine Potentialtrennung herstellen. Gerade für die Integration mehrerer unterschiedlicher Komponenten sind diese von Bedeutung, jedoch selten hinreichend Platz vorhanden. Somit ist für den Anwendungsfall der Integration unterschiedlicher Komponenten ein derartiger Transformator besonders vorteilhaft, da dieser flexibel und platzsparend einsetzbar ist.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Transformator genau einen zentralen Hauptschenkel auf, auf dem die erste Wicklung und die zweite Wicklung aufgebracht sind. Für einfache Anwendungen ist es oftmals hinreichend, Wicklungen nur um einen Schenkel, der dann als Hauptschenkel bezeichnet wird, auszuführen. Durch das Einsparen an parallelen Leitungen, gerade für die zweite Wicklung, werden die Wicklungen jeweils in ihrer Baugröße kleiner und können daher dann auf nur einen Schenkel aufgebracht oder an nur einem Schenkel angebracht bzw. angeordnet werden. Auch dadurch werden derartige Transformatoren besonders klein in ihrer Baugröße. Auch ist es möglich, für den Kern Material mit geringerer magnetischer Leitfähigkeit einzusetzen, da der Weg des magnetischen Flusses im Kern teilweise deutlich kürzer wird und damit geringere Verluste auch bei preisgünstigem Kernmaterial entstehen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Transformator eine Vielzahl von Rückschlussschenkeln auf, die gleichmäßig verteilt auf einer Kreisbahn um den zentralen Hauptschenkel angeordnet sind. Durch die kompakte Bauweise ist es möglich, mehrere Rückschlussschenkel vorzusehen, beispielsweise fünf oder mehr, die gleichmäßig auf einer Kreisbahn um den Hauptschenkel angeordnet sind. In diesem Fall ist das Joch dann sternförmig ausgebildet. Auch auf diese Weise lassen sich kompakte Aufbauten eines Transformators erzeugen, die auch bei der Verwendung kostengünstiger Materialien hohe Wirkungsgrade sicherstellen können. Durch die Vielzahl an Rückschlussschenkeln können diese Rückschlussschenkel kleiner dimensioniert werden als der Hauptschenkel und damit unter anderem das Bauvolumen des Transformators reduzieren.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    einen Transformator mit Zylinderwicklung und
    FIG 2, FIG 3
    Ausführungsbeispiele eines Transformators in unterschiedlichen Schnittzeichnungen.
  • Die FIG 1 zeigt einen Transformator 1 mit einer Zylinderwicklung wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei werden zwei Wicklungen 11, 12 hergestellt und um einen Schenkel 2, den sogenannten Hauptschenkel, des Magnetkreises ineinander verschachtelt, d.h. konzentrisch angeordnet. Der magnetische Fluss zur Kopplung der beiden Wicklungen 11, 12 wird in einem Kern geführt. Der Kern weist den Schenkel 2, an dem die Wicklungen aufgebracht sind, auch als Hauptschenkel bezeichnet, die Rückschlussschenkel 3, die parallel zu den Hauptschenkel angeordnet sind und das Joch 4, das die Schenkel 2, sowohl Hauptschenkel als auch Rückschlussschenkel 3 beidseitig miteinander verbindet, auf. Zur Vermeidung eines Stromflusses sind die beiden Wicklungen meist mit einem isolierenden Element voneinander elektrisch getrennt.
  • Die innere Wicklung hat dabei beispielsweise zur Sicherstellung einer erforderlichen Stromtragfähigkeit zwei parallel geführte Leitungen, die um den Schenkel gewickelt sind. Die äußere Wicklung ist aus vier parallelen Leitungen aufgebaut, wobei zwei Schichten mit zwei parallelen Leitungen gewickelt werden können. Aufgrund der unsymmetrischen Bewicklung des Transformators 1 entsteht ein erhöhter Kupferaufwand, da sich die Magnetfelder der primären und sekundären Wicklungen ungünstig gegenseitig beeinflussen und es hierdurch zu erhöhten Stromverdrängungseffekten kommt. Die Stromverdrängungseffekte können als Widerstandserhöhung in den einzelnen Leitungen betrachtet werden, sodass ein höherer Leitungsquerschnitt, wie oben beschrieben, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer paralleler Leitungen, zur Kompensation dieser Widerstandserhöhung eingesetzt werden kann oder muss. Selbst bei einem Übersetzungsverhältnis von 1 sieht man daher aufgrund der Stromverdrängung für die beiden Wicklungen unterschiedlich viele parallele Leitungen und damit unterschiedliche wirksame Querschnitte vor. Der Effekt der Stromverdrängung wirkt umso stärker je höher die Frequenz ist, mit der der Transformator betrieben wird.
  • Die FIG 2 zeigt einen Schnitt durch den vorgeschlagenen Transformator 1. Die erste Wicklung 11 wird dabei durch eine erste Teilwicklung 21 und eine zweite Teilwicklung 22 gebildet. Diese beiden Teilwicklungen 21, 22 umgeben radial gesehen die zweite Wicklung 12 des Transformators 1. Durch das sich dann ergebene Magnetfeld zwischen den Wicklungen 11, 12 bzw. Teilwicklungen 21, 22 werden Stromverdrängungseffekte weitgehend vermieden und die beiden Wicklungen 11, 12 weisen auch im Betrieb in etwa den gleichen elektrischen Widerstand auf.
  • Des Weiteren schließt das sternförmig ausgebildete Joch 4 den Magnetkreis, der sich aus einem mittig angeordneten Schenkel 2 und fünf Rückschlussschenkeln 3 ergibt. In dieser Schnittzeichnungen sind der Schenkel 2, an dem die Wicklungen 11, 12 angebracht sind, und die Rückschlussschenkel 3 durch das Joch 4 verdeckt und somit nicht sichtbar, sondern nur durch die Bezugszeichen angedeutet. Die Schenkel 2 und Rückschlussschenkel 3 dieser Anordnung sind in einem anderen Schnitt durch den Transformator 1 der FIG 3 deutlich zu erkennen.
  • Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn jeweils zwischen den Teilwicklungen 21, 22 und der zweiten Wicklung 12 ein Isoliermaterial 6 angeordnet ist, um einen unerwünschten Stromfluss zwischen den Wicklungen 11, 12 und den Teilwicklungen 21, 22 sicher zu vermeiden und eine galvanische Trennung sicherzustellen.
  • Die FIG 3 zeigt einen weiteren Schnitt durch den vorgeschlagenen Transformator 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu FIG 2 und auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Die erste Teilwicklung 21 und die zweite Teilwicklung 22, welche die erste Wicklung 11 bilden, umgeben die zweite Wicklung 12. Diese sind um den Schenkel 2 kreisförmig angeordnet, wobei die zylinderförmigen Wicklungen 11, 12 bzw. Teilwicklungen 21, 22 konzentrisch um diesen Schenkel 2 angeordnet sind und die Teilwicklungen 21, 22 die zweite Wicklung 12 in radialer Richtung umgeben. Den geschlossenen Magnetkreis bilden der Hauptschenkel 2, der Rückschlussschenkel 3 sowie die Joche 4, welche Hauptschenkel 2 und Rückschlussschenkel 3 beidseitig miteinander verbinden. Neben dem auf der linken Seite dargestellten Rückschlussschenkel 3 kann der Transformator 1 auch noch weitere Rückschlussschenkel 3 aufweisen. Dies ist durch die Schnittkante beim Joch 4 auf der rechten Seite der Figur angedeutet. Insbesondere kann der Transformator 1 die fünf in FIG 2 dargestellten Rückschlussschenkel aufweisen. Die Rückschlussschenkel 3 können dabei in vorteilhafterweise sich gleichmäßig verteilt auf einer Kreisbahn um den Hauptschenkel 2 angeordnet sein.
  • Darüber hinaus sind auch die Leitungen 5 der Wicklungen 11, 12, bzw. der Teilwicklungen 21, 22 dargestellt. Eine Lage stellt dabei jeweils eine Leitung dar, die um den Schenkel 2 gewickelt ist. Somit ist deutlich zu erkennen, dass die erste Teilwicklung 21 und die zweite Teilwicklung 22 jeweils eine Leitung 5 aufweisen, die vorzugsweise elektrisch parallel angeordnet sind, während die zweite Wicklung 12 zwei Leitungen aufweist, die radial übereinanderliegend angeordnet sind.
  • In vorteilhafter Weise werden sowohl die Leitungen der beiden Teilwicklungen 21, 22 parallel verschaltet als auch die beiden Leitungen der zweiten Wicklung 12. Für diese Anordnung werden die Wechselwirkungen zwischen der ersten Wicklung 11 und der zweiten Wicklung 12 besonders deutlich reduziert, so dass sich für beide Wicklungen 11, 12 ein gleicher Ersatzwiderstand oder zumindest ein nahezu gleicher Ersatzwiderstand ergibt, der sich um maximal 5% unterscheidet.
  • Die Erhöhung des wirksamen Leitungsquerschnittes, wie er aus dem Stand der Technik für Transformatoren mit Zylinderwicklung üblich ist, kann vermieden werden indem insbesondere bei dem vorliegenden Transformator 1, der auch als Rundtransformator bezeichnet wird, eine der beiden Wicklungen 11 auf zwei Teilwicklungen 21, 22 aufgeteilt wird und diese beiden Teilwicklungen 21, 22 die zweite Wicklung 12 beidseitig umschließen. Dies zeigen die Figuren 2 und 3. Die nun benötigten drei Wickelelemente können weiterhin einzeln angefertigt und anschließend mit dem Magnetkreis verbunden werden.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Transformator aufweisend eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung konzentrisch um einen Schenkel des Transformators angeordnet sind. Zur Verbesserung des Transformators wird vorgeschlagen, dass die erste Wicklung eine erste Teilwicklung und eine zweite Teilwicklung umfasst, wobei die zweite Wicklung zwischen der ersten Teilwicklung der ersten Wicklung und der zweiten Teilwicklung der ersten Wicklung angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Transformators, wobei der Transformator mit Strömen und/oder Spannungen mit einer Frequenz im Bereich von 100Hz bis 500kHz betrieben wird.

Claims (9)

  1. Transformator (1) aufweisend:
    - eine erste Wicklung (11) und
    - eine zweite Wicklung (12),
    wobei die erste Wicklung (11) und die zweite Wicklung (12) konzentrisch um einen Schenkel (2) des Transformators (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Wicklung (11) eine erste Teilwicklung (21) und eine zweite Teilwicklung (22) umfasst, wobei die zweite Wicklung (12) zwischen der ersten Teilwicklung (21) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Teilwicklung (22) der ersten Wicklung (11) angeordnet ist.
  2. Transformator (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Teilwicklung (21) und die zweite Teilwicklung (22) der ersten Wicklung (11) elektrisch parallel angeordnet sind.
  3. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei effektive Leitungsquerschnitte der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) sich in Abhängigkeit von dem Übersetzungsverhältnis unterscheiden.
  4. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Transformator (1) für den Betrieb mit einer Frequenz im Bereich von 100Hz bis 500kHz ausgebildet oder vorgesehen ist.
  5. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von 1 aufweist.
  6. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Transformator (1) genau einen zentralen Hauptschenkel (2) aufweist, auf dem die erste Wicklung (11) und die zweite Wicklung (12) aufgebracht sind.
  7. Transformator (1) nach Anspruch 6, wobei der Transformator (1) eine Vielzahl von Rückschlussschenkeln (3) aufweist, die gleichmäßig verteilt auf einer Kreisbahn um den zentralen Hauptschenkel (2) angeordnet sind.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Transformators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Transformator (1) mit Strömen und/oder Spannungen mit einer Frequenz im Bereich von 100Hz bis 500kHz betrieben wird.
  9. Computerprogrammprodukt zur Simulation eines Betriebsverhaltens eines Transformators (1) in einer elektrischen Umgebung, wobei der Transformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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