EP4189709A1 - Transformator - Google Patents

Transformator

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EP4189709A1
EP4189709A1 EP21769391.0A EP21769391A EP4189709A1 EP 4189709 A1 EP4189709 A1 EP 4189709A1 EP 21769391 A EP21769391 A EP 21769391A EP 4189709 A1 EP4189709 A1 EP 4189709A1
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transformer
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core
magnetic
coil
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0246—Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder

Definitions

  • the invention relates to a transformer.
  • a transformer generally has a magnetic core around which at least one coil on the primary side and at least one coil on the secondary side run.
  • the magnetic core is usually made of electrical steel to counteract eddy currents in the magnetic core.
  • layers of electrical sheet metal are laminated and joined together to form the magnetic core, electrically isolated from one another.
  • the magnetic core has a surface with edges and/or steps formed by the electrical steel layers. This creates air-filled gaps between the coils and the surface of the magnet core, which remain unused for conducting a magnetic flux.
  • the invention is based on the object of specifying a transformer which is improved with regard to the conduction of a magnetic flux.
  • a transformer according to the invention comprises a magnetic core, a coil running around a core section of the magnetic core and a filling layer which is arranged between the core section and the coil and is made of a magnetizable material.
  • the magnetizable filling layer fills an otherwise air-filled space between the magnetic core and the coil of the transformer with magnetizable material filled .
  • the filling layer supports the conduction of a magnetic flux of the magnetic core of the transformer by increasing the cross-sectional area enclosed by the coil, which is filled with magnetizable material.
  • less electrical steel is required to achieve the same magnetic flux, especially with the same coil diameter.
  • material and costs for manufacturing the magnetic core can be saved without increasing the electromagnetic induction in the magnetic core.
  • support structures in the transformer, such as pressboard or paper cylinders can be reduced since their function can be partially taken over by the filling layer. This also allows costs for the manufacture of the transformer to be reduced.
  • the filling layer completely fills an intermediate space between the core section and the coil.
  • the aforementioned embodiment of the invention advantageously uses the entire space between the magnet core and the coil to conduct the magnetic flux. This optimizes the effect of the filling layer.
  • the filling layer is made from a paramagnetic material.
  • the magnetization of the filling layer follows the magnetic field generated by the coil and thus advantageously increases the magnetic flux conducted by the magnet core.
  • the filling layer has a higher permeability number than air.
  • the aforementioned embodiment of the invention takes into account that the filling layer conducts the magnetic flux compared to a transformer with an air-filled space between the magnetic core and the coil only improved if the filling layer has a higher permeability number than air.
  • the higher this permeability number the more the filling layer contributes to the conduction of the magnetic flux and relieves the magnetic core, or the more electrical steel can be saved for the production of the magnetic core.
  • the filling layer is made from a soft-magnetic material.
  • the filling layer is particularly preferably made of a soft-magnetic composite material.
  • Soft magnetic composite material is also referred to as Soft Magnetic Composite (SMC).
  • SMC Soft Magnetic Composite
  • a soft-magnetic composite material is preferably used which has high mechanical strength and high magnetic permeability.
  • the filling layer is produced by pressing and sintering a soft magnetic powder composite material.
  • Soft magnetic materials can easily be magnetized in a magnetic field and are therefore particularly suitable as material for the filling layer.
  • Soft magnetic composite materials have the particular advantage that they have significantly higher permeability numbers than air and can be pressed and sintered as a powder.
  • the filling layer can therefore easily be produced as a molded part by pressing and sintering a soft-magnetic powder composite material, with filling layers with complex three-dimensional geometries also being able to be produced.
  • the filling layer has an outer surface facing away from the core section, which has the shape of a cylinder with a smooth, preferably oval and in particular circular guide curve. This advantageously gives the filling layer a smooth outer surface, around which the coil can be arranged without gaps, in contrast to the surface of a magnetic core made from electrical sheet metal.
  • the magnet core is made of electrical steel.
  • the magnetic core of a transformer is usually made of electrical steel to counteract eddy currents in the magnetic core, and consequently has edges and/or steps.
  • the invention makes it possible to fill the spaces between the magnetic core and the coil that occur in such a magnetic core with the filling layer.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional representation of a magnetic core of an exemplary embodiment of a transformer
  • FIG. 2 shows a perspective sectional view of an exemplary embodiment of a transformer.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional illustration of a magnet core 1 of an exemplary embodiment of a transformer 3 according to the invention (see FIG. 2).
  • the magnetic core 1 is made from electrical steel by laminating electrical steel layers (not shown in detail) and joining them together in an electrically isolated manner.
  • the Electrical steel layers are designed and arranged with different widths in such a way that the cross section of the magnet core 1 approximates a circular area.
  • the surface of the magnetic core 1 has edges 5 and steps 7 due to the layering of the electrical steel sheet.
  • FIG. 2 shows a perspective sectional illustration of an exemplary embodiment of a transformer 3 according to the invention.
  • the transformer 3 comprises a magnetic core 1 , a coil 9 running around a core portion of the magnetic core 1 , and a magnetizable filling layer 11 arranged between the core portion and the coil 9 .
  • the magnetic core 1 is designed like the magnetic core 1 described with reference to FIG.
  • the filling layer 11 completely fills a space between the core portion and the coil 9 .
  • the filling layer 11 is made of a paramagnetic material, for example a soft magnetic material, which has a higher permeability number than air.
  • the filling layer 11 is particularly preferably made of a soft-magnetic composite material (SMC), in particular by pressing and sintering a soft-magnetic powder composite material.
  • SMC soft-magnetic composite material
  • the filling layer 11 has an outer surface 13 which faces away from the core section and is in the shape of a cylinder with an oval, in particular circular guide curve 15 .
  • the filling layer 11 supports the conduction of a magnetic flux of the magnetic core 1 of the transformer 3 by completely filling the cross-sectional area enclosed by the coil 9 with magnetizable material. Compared to a conventional transformer without the filling layer 11 , less electrical steel is required for the same coil diameter in order to achieve the same magnetic flux.
  • An example calculation for a magnetic core 1 with a diameter of 29 cm and a cross-sectional area of 587.5 cm 2 and the permeability number 2000 and a cross-sectional area of 660.5 cm 2 enclosed by the coil 9 shows that the cross-sectional area of the magnetic core 1 can be reduced by about 1.3% in order to achieve the same magnetic flux with a filling layer 11 as without the To realize filling layer 11 when the filling layer has the permeability number 200.
  • a simulation based on a finite element method shows that in this example, as a result of the increased effective cross section for conducting the magnetic flux due to the filling layer 11, the magnetic flux density in the magnetic core 1 increases from 193.7 mT to 189 mT, ie reduced by 2% compared to an embodiment without the filling layer 11 and the magnetic core 1 is correspondingly relieved.
  • a filling layer 11 with an even higher permeability number enables a further reduction in the cross-sectional area of the magnet core 1 and thus a corresponding reduction in the amount of electrical lamination required to produce the magnet core 1 or an even greater relief of the magnet core 1 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (3). Der Transformator (1) umfasst einen Magnetkern (1), eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns (1) herum verlaufende Spule (9) und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) angeordnete Füllschicht (11), die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist.

Description

Beschreibung
Trans formator
Die Erfindung betri f ft einen Trans formator .
Ein Trans formator weist in der Regel einen Magnetkern auf , um den herum wenigstens eine primärseitige Spule und wenigstens eine sekundärseitige Spule verlaufen . Der Magnetkern ist in der Regel aus Elektroblech gefertigt , um Wirbelströmen in dem Magnetkern entgegenzuwirken . Dazu werden Elektroblechschichten lamelliert und voneinander elektrisch isoliert zu dem Magnetkern zusammengefügt . Der Magnetkern weist dadurch eine Oberfläche mit von den Elektroblechschichten gebildeten Kanten und/oder Stufen auf . Dadurch entstehen luftgefüllte Zwischenräume zwischen den Spulen und der Oberfläche des Magnetkerns , die für die Leitung eines magnetischen Flusses ungenutzt bleiben .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen Trans formator anzugeben, der hinsichtlich der Leitung eines magnetischen Flusses verbessert ist .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Trans formator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Ein erfindungsgemäßer Trans formator umfasst einen Magnetkern, eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns herum verlaufende Spule und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule angeordnete Füllschicht , die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist .
Durch die magnetisierbare Füllschicht wird ein sonst luftgefüllter Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule des Trans formators mit magnetisierbarem Material gefüllt . Die Füllschicht unterstützt die Leitung eines magnetischen Flusses des Magnetkerns des Trans formators , indem sie die von der Spule umschlossene Querschnitts fläche , die mit magnetisierbarem Material ausgefüllt ist , vergrößert . Gegenüber einem herkömmlichen Trans formator ohne eine magnetisierbare Füllschicht wird dadurch insbesondere bei gleichem Spulendurchmesser weniger Elektroblech benötigt , um denselben magnetischen Fluss zu realisieren . Dadurch können Material und Kosten für die Herstellung des Magnetkerns eingespart werden, ohne die elektromagnetische Induktion im Magnetkern zu erhöhen . Außerdem können Stützstrukturen im Trans formator wie Pressspan- oder Papierzylinder reduziert werden, da deren Funktion teilweise von der Füllschicht übernommen werden kann . Auch dadurch können Kosten für die Herstellung des Trans formators reduziert werden .
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung füllt die Füllschicht einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule vollständig aus .
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung nutzt vorteilhaft den gesamten Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule zur Leitung des magnetischen Flusses . Dadurch wird die Wirkung der Füllschicht optimiert .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Füllschicht aus einem paramagnetischen Material gefertigt .
Durch die Verwendung eines paramagnetischen Materials folgt die Magnetisierung der Füllschicht dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld und erhöht somit vorteilhaft den von dem Magnetkern geleiteten magnetischen Fluss .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Füllschicht eine größere Permeabilitäts zahl als Luft auf .
Die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt , dass die Füllschicht die Leitung des magnetischen Flusses gegenüber einem Trans formator mit einem luftgefüllten Zwischenraum zwischen dem Magnetkern und der Spule nur verbessert , wenn die Füllschicht eine größere Permeabilitäts zahl als Luft aufweist . Je größer diese Permeabilitäts zahl ist , desto mehr trägt die Füllschicht zur Leitung des magnetischen Flusses bei und entlastet den Magnetkern, beziehungsweise desto mehr Elektroblech kann für die Herstellung des Magnetkerns eingespart werden .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Füllschicht aus einem weichmagnetischen Material gefertigt . Besonders bevorzugt ist die Füllschicht aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstof f gefertigt . Weichmagnetischer Verbundwerkstof f wird auch als Soft Magnetic Composite ( SMC ) bezeichnet . Vorzugsweise wird ein weichmagnetischer Verbundwerkstof f verwendet , der eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe magnetische Permeabilität aufweist . Beispielsweise ist die Füllschicht durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstof fs hergestellt .
Weichmagnetische Materialien lassen sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren und eignen sich deshalb besonders gut als Material für die Füllschicht . Weichmagnetische Verbundwerkstof fe haben insbesondere den Vorteil , dass sie deutlich höhere Permeabilitäts zahlen als Luft haben und als Pulver gepresst und gesintert werden können . Durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstof fs kann die Füllschicht daher leicht als Formteil hergestellt werden, wobei auch Füllschichten mit komplexen dreidimensionalen Geomtrien herstellbar sind .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Füllschicht eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche auf , die die Form eines Zylinders mit einer glatten, vorzugsweise ovalen und insbesondere kreis förmigen Leitkurve hat . Die Füllschicht erhält dadurch vorteilhaft eine glatte Außenoberfläche , um die herum die Spule lückenlos angeordnet werden kann, im Unterschied zu der Oberfläche eines aus Elektroblech gefertigten Magnetkerns .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnetkern aus Elektroblech gefertigt .
Wie oben bereits ausgeführt wurde , wird der Magnetkern eines Trans formators in der Regel aus Elektroblech gefertigt , um Wirbelströmen in dem Magnetkern entgegenzuwirken, und weist infolgedessen Kanten und/oder Stufen auf . Die Erfindung ermöglicht das Aus füllen der bei einem solchen Magnetkern auftretenden Zwischenräume zwischen dem Magnetkern und der Spule mit der Füllschicht .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen :
FIG 1 eine Querschnittdarstellung eines Magnetkerns eines Aus führungsbeispiels eines Trans formators ,
FIG 2 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Aus führungsbeispiels eines Trans formators .
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .
Figur 1 ( FIG 1 ) zeigt eine Querschnittdarstellung eines Magnetkerns 1 eines Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Trans formators 3 ( siehe Figur 2 ) . Der Magnetkern 1 ist aus Elektroblech gefertigt , indem (nicht näher dargestellte ) Elektroblechschichten lamelliert und voneinander elektrisch isoliert zusammengefügt werden . Die Elektroblechschichten sind mit unterschiedlichen Breiten derart ausgeführt und angeordnet , dass der Querschnitt des Magnetkerns 1 einer Kreis fläche angenähert ist . Durch die Schichtung des Elektroblechs weist die Oberfläche des Magnetkerns 1 Kanten 5 und Stufen 7 auf .
Figur 2 ( FIG 2 ) zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Trans formators 3 .
Der Trans formator 3 umfasst einen Magnetkern 1 , eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns 1 herum verlaufende Spule 9 und eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule 9 angeordnete magnetisierbare Füllschicht 11 . Der Magnetkern 1 ist wie der anhand der Figur 1 beschriebene Magnetkern 1 ausgeführt .
Die Füllschicht 11 füllt einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule 9 vollständig aus . Die Füllschicht 11 ist aus einem paramagnetischen, beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt , das eine höhere Permeabilitäts zahl als Luft aufweist . Besonders bevorzugt ist die Füllschicht 11 aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstof f ( SMC ) , insbesondere durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstof fes gefertigt . Die Füllschicht 11 weist eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche 13 auf , die die Form eines Zylinders mit einer ovalen, insbesondere kreis förmigen Leitkurve 15 hat .
Die Füllschicht 11 unterstützt die Leitung eines magnetischen Flusses des Magnetkerns 1 des Trans formators 3 , indem sie die von der Spule 9 umschlossene Querschnitts fläche vollständig mit magnetisierbarem Material aus füllt . Gegenüber einem herkömmlichen Trans formator ohne die Füllschicht 11 wird dadurch bei gleichem Spulendurchmesser weniger Elektroblech benötigt , um denselben magnetischen Fluss zu realisieren . Eine Beispielrechnung für einen Magnetkern 1 mit einem Durchmesser von 29 cm, einer Querschnitts fläche von 587 , 5 cm2 und der Permeabilitäts zahl 2000 und einer von der Spule 9 umschlossenen Querschnitts fläche von 660 , 5 cm2 ergibt , dass die Querschnitts fläche des Magnetkerns 1 um etwa 1 , 3 % reduziert werden kann, um mit einer Füllschicht 11 denselben magnetischen Fluss wie ohne die Füllschicht 11 zu realisieren, wenn die Füllschicht die Permeabilitäts zahl 200 aufweist . Ferner ergibt eine Simulation auf Basis einer Finite-Elemente-Methode , dass sich in diesem Beispiel infolge des durch die Füllschicht 11 vergrößerten ef fektiven Querschnittes zur Leitung des magnetischen Flusses bei gleicher Erregung durch einen elektrischen Spulenstrom von 12 kA die magnetische Flussdichte im Magnetkern 1 von 193 , 7 mT auf 189 mT , also um 2 % gegenüber einer Aus führung ohne die Füllschicht 11 verringert und der Magnetkern 1 dementsprechend entlastet wird . Eine Füllschicht 11 mit einer noch größeren Permeabilitäts zahl ermöglicht eine weitere Reduzierung der Querschnitts fläche des Magnetkerns 1 und damit eine entsprechende Reduzierung der Menge von zur Herstellung des Magnetkerns 1 benötigten Elektroblechs beziehungsweise eine noch größere Entlastung des Magnetkerns 1 .
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

7 Patentansprüche
1. Transformator (3) , umfassend
- einen Magnetkern (1) ,
- eine um einen Kernabschnitt des Magnetkerns (1) herum verlaufende Spule (9) und
- eine zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) angeordnete Füllschicht (11) , die aus einem magnetisierbaren Material gefertigt ist.
2. Transformator (3) nach Anspruch 1, wobei die Füllschicht (11) einen Zwischenraum zwischen dem Kernabschnitt und der Spule (9) vollständig ausfüllt.
3. Transformator (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Füllschicht (11) aus einem paramagnetischen Material gefertigt ist.
4. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) eine größere Permeabilitätszahl als Luft aufweist.
5. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
6. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff gefertigt ist.
7. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) durch Pressen und Sintern eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffs hergestellt ist.
8. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllschicht (11) eine von dem Kernabschnitt abgewandte Außenoberfläche (13) aufweist, die die Form eines Zylinders mit einer glatten Leitkurve (15) hat. 8
9. Transformator (3) nach Anspruch 8, wobei die Leitkurve (15) oval, insbesondere kreisförmig, ist.
10. Transformator (3) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Magnetkern (1) aus Elektroblech gefertigt ist.
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