NO154615B

NO154615B - POWER TRANSFORMER OR REACTOR.

Info

Publication number: NO154615B
Application number: NO802406A
Authority: NO
Inventors: Bertil Moritz; Ole Toennesen
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1980-08-12
Filing date: 1980-08-12
Publication date: 1986-08-04
Also published as: NO154615C; NO802406L

Description

Oppfinnelsen angår en krafttransformator eller reaktor omfattende en av magnetisk materiale bestående kjerne med i det minste ett ben og åk og i det minste én vikling som inneholder et antall omløp av båndformet ledermateriale som er viklet i spiral i hovedsaken konsentrisk rundt kjernebenet, idet viklingen omfatter en indre viklingsdel og en radialt utenfor den indre viklingsdel beliggende, ytre viklingsdel. The invention relates to a power transformer or reactor comprising a core consisting of magnetic material with at least one leg and yoke and at least one winding containing a number of turns of ribbon-shaped conductor material which is wound in a spiral essentially concentrically around the core leg, the winding comprising a inner winding part and an outer winding part situated radially outside the inner winding part.

I transformatorer og reaktorer med bånd- eller folieviklinger kan det mot båndets kanter oppstå en kraftig strømfortrengning som resulterer dels i store tilleggstap og dels i kraftig lokal oppvarming av båndkantene. Strømfor-trengningen forårsakes av at den mellom viklingene forløpen-de, i hovedsaken aksiale, magnetiske lekkasjefluks bøyer av i en mer eller mindre radial retning ved viklingenes ender, for å gå inn i kjernebenene eller lukke seg utenfor viklingene i stedet for å fortsette aksialt og gå inn i åket. Dette medfører at viklingenes ender vil bli gjennomtrengt av en magnetfluks med en radial komponent som frembringer hvirvel-strømmer i viklingslederen og forårsaker tap i tillegg til de uunngåelige, ohmske tap som forårsakes av lederstrømmen. Disse hvirvelstrømstap øker temperaturen i viklingsendene slik at den lokalt kan anta høye verdier. In transformers and reactors with tape or foil windings, a strong current displacement can occur towards the edges of the tape, which results partly in large additional losses and partly in strong local heating of the tape edges. The current displacement is caused by the magnetic leakage flux running between the windings, mainly axial, deflecting in a more or less radial direction at the ends of the windings, to enter the core legs or close outside the windings instead of continuing axially and enter the yoke. This means that the ends of the windings will be penetrated by a magnetic flux with a radial component which produces eddy currents in the winding conductor and causes losses in addition to the inevitable ohmic losses caused by the conductor current. These eddy current losses increase the temperature at the winding ends so that it can locally assume high values.

Flere forskjellige foranstaltninger er blitt foreslått for å rette opp lekkasjefluksen, for eksempel ved at man ved viklingsendene anordner legemer med høy permeabili-tet, trådviklede spoler som gjennomflytes av viklingsstrøm-men, eller skjermer av elektrisk ledende materiale (se f.eks. de amerikanske patentskrifter 3 142 029 og 4 012 706). Disse foranstaltninger gir imidlertid bare en begrenset reduksjon av strømfortrengningen. Several different measures have been proposed to rectify the leakage flux, for example by arranging bodies with high permeability at the winding ends, wire-wound coils through which the winding current flows, or shields of electrically conductive material (see, for example, the American patents 3 142 029 and 4 012 706). However, these measures only provide a limited reduction in current displacement.

Fra det belgiske patentskrift 657 400 er det tidligere kjent å utføre lag- og skiveviklinger med utbøyde endepartier for det formål å redusere de aksiale kontrak-sjonskrefter ved kortslutningsstrømmer. De i patentskriftet beskrevne viklinger er utført av isolert tråd som sammenlik-net med båndformet ledermateriale har liten utstrekning i viklingens aksiale retning. For å råde bot på den ujevne strømtetthet i viklinger av den viste utførelse har man foreslått å benytte tråd av forskjellige tverrsnittsarealer i forskjellige deler av viklingen. En sådan løsning er ikke anvendelig ved viklinger som er utført av båndformet ledermateriale . From the Belgian patent document 657 400 it is previously known to carry out layer and disc windings with bent end parts for the purpose of reducing the axial contraction forces in case of short-circuit currents. The windings described in the patent document are made of insulated wire which, compared with ribbon-shaped conductor material, has a small extent in the axial direction of the winding. In order to remedy the uneven current density in windings of the embodiment shown, it has been proposed to use wire of different cross-sectional areas in different parts of the winding. Such a solution is not applicable for windings made of strip-shaped conductor material.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en bedre løsning.på de nevnte strømfortrengningsproblemer enn de tidligere foreslåtte løsninger. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at viklingen er utformet slik som angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1. The purpose of the invention is to provide a better solution to the aforementioned current displacement problems than the previously proposed solutions. This is achieved according to the invention by the winding being designed as stated in the characterizing part of patent claim 1.

Oppfinnelsens grunnidé er at man, i stedet for å forsøke å påvirke feltet, lar ledermaterialet følge feltet, dvs. former båndet eller folien på en slik måte at feltvek-toren i hvert punkt er tangent til lederflaten. På denne måte kan strømfortrengningen reduseres i vesentlig grad. The basic idea of the invention is that, instead of trying to influence the field, the conductor material is allowed to follow the field, i.e. the tape or foil is shaped in such a way that the field vector is tangent to the conductor surface at each point. In this way, the current displacement can be reduced to a significant extent.

En transformator- eller reaktorvikling ifølge oppfinnelsen har som regel en traktformet utbøyning ved endene. Denne utbøyning kan tilveiebringes ved at viklingen vikles A transformer or reactor winding according to the invention usually has a funnel-shaped deflection at the ends. This deflection can be provided by winding the winding

av en metallfolie der foliekantene er dobbeltbøyde (dvs. of a metal foil where the foil edges are double-bent (i.e.

bøyd 180°). En sådan ombøyd kant gir dessuten fordeler i form av redusert fare for gliming ved båndkanten, øket leder-tverrsnitt og dermed bedre fyllfaktor og dessuten stivere viklingskonstruksjon. Dessuten unngås skadelig innvirkning av eventuelle grader fra skjæringen av båndet. bent 180°). Such a bent edge also offers advantages in the form of reduced risk of slippage at the strip edge, increased conductor cross-section and thus better filling factor and also stiffer winding construction. In addition, the harmful impact of any burrs from the cutting of the tape is avoided.

Den nevnte utbøyning kan også tilveiebringes ved hjelp av langs lederbåndets kanter innlagte, separate remser eller strimler. Disse strimler kan utføres av såvel elektrisk ledende som elektrisk isolerende materiale. Strimlenes tverrsnitt kan eventuelt, være kileformet. The aforementioned deflection can also be provided by means of separate strips or strips placed along the edges of the conductor tape. These strips can be made of both electrically conductive and electrically insulating material. The cross-section of the strips can optionally be wedge-shaped.

Man kan også utforme endepartiene av viklingsstam-men (malsylinderen og/eller kanalribbene) på en slik måte at allerede det første omløp av den aktuelle vikling får dobbeltkrummet form. Derved kan utfyllingen med strimler mellom de etterfølgende omløp eller vindinger begrenses til en kantsone med bare noen få millimeters bredde. Da strimlenes inntreng-ning i viklingen er forholdsvis liten, kan man i dette tilfelle uten ulempe for varmeledningen i viklingen benytte strimler av elektrisk isolerende materiale, hvilket er fordelaktig av blant annet dielektriske grunner. Strimlene utføres hensiktsmessig selvheftende i form av tape eller klebebånd, hvorved man unngår at de forskyves i forhold til båndkanten under viklingsarbeidet. Ønsket form på viklingsendene kan tilveiebringes f.eks. ved å benytte tape av forskjellige tykkelser eller tape av konstant tykkelse, idet i det sistnevnte tilfelle antall tapesjikt mellom innbyrdes tilstøtende viklingsomløp på forskjellige steder varieres på forutbestemt måte. One can also design the end parts of the winding stem (the template cylinder and/or the channel ribs) in such a way that already the first round of the winding in question takes on a double-curved shape. Thereby, the filling with strips between the subsequent turns or windings can be limited to an edge zone with a width of only a few millimeters. As the penetration of the strips into the winding is relatively small, strips of electrically insulating material can in this case be used without any disadvantage for the heat conduction in the winding, which is advantageous for dielectric reasons, among other things. The strips are suitably self-adhesive in the form of tape or adhesive tape, thereby preventing them from being displaced in relation to the edge of the tape during the winding work. The desired shape of the winding ends can be provided, e.g. by using tape of different thicknesses or tape of constant thickness, in the latter case the number of tape layers between mutually adjacent winding loops in different places is varied in a predetermined manner.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et antall utførelseseksempler under hen-visning til tegningene, der fig. 1 på skjematisk måte, for illustrasjon av oppfinnelsens prinsipp, viser et snitt gjennom den øvre del av to rundt et kjerneben anordnede folie- The invention shall be described in more detail below in connection with a number of exemplary embodiments with reference to the drawings, where fig. 1 schematically, to illustrate the principle of the invention, shows a section through the upper part of two foils arranged around a core

i in

viklinger, fig. 2 viser på tilsvarende måte en alternativ utf/ørelse som er mer fordelaktig fra fremstillingsteknisk synspunkt, og fig. 3, 4, 5, 6 og 7 viser forskjellige løs-ninger for tilveiebringelse av en traktformet utbøyning av ytterviklingsendene. windings, fig. 2 similarly shows an alternative embodiment which is more advantageous from a manufacturing technical point of view, and fig. 3, 4, 5, 6 and 7 show different solutions for providing a funnel-shaped deflection of the outer winding ends.

På fig. 1 er vist en del av en transformatorkjerne med et kjerneben 1 og et åk 2. Konsentrisk rundt kjernebenet 1 er anordnet en innervikling 3 og en yttervikling 4. Viklingene er oppbygget av i flere omløp viklede aluminium-eller kobberfolier 5 hhv. 6 hvis tykkelse kan ligge mellom 0,01 og 3 mm, fortrinnsvis mellom 0,02 og 1 mm. Mellom viklingsomløpene ligger en film av passende isolermateriale, eksempelvis polyetylenglykoltereftalat, hvis tykkelse eksempelvis kan ligge mellom 0,01 og 0,05 mm. Den indre vikling 3 er viklet på et på kjernebenet 1 festet rør 7 av f.eks. glassfiberarmert plast. Den ytre vikling 4 er på sin side viklet på et på den indre vikling anordnet rør 8 av isolermateriale . In fig. 1 shows part of a transformer core with a core leg 1 and a yoke 2. An inner winding 3 and an outer winding 4 are arranged concentrically around the core leg 1. The windings are made up of aluminum or copper foils wound in several turns 5 or 6 whose thickness can be between 0.01 and 3 mm, preferably between 0.02 and 1 mm. Between the winding circuits lies a film of suitable insulating material, for example polyethylene glycol terephthalate, whose thickness can for example be between 0.01 and 0.05 mm. The inner winding 3 is wound on a tube 7 attached to the core leg 1 of e.g. fiberglass reinforced plastic. The outer winding 4 is in turn wound on a tube 8 of insulating material arranged on the inner winding.

På fig. 1 er den gjennom viklingene forløpende lekkasjefluks antydet med strekede linjer 9. Viklingenes endepartier er formet slik at foliene 5 og 6 i hovedsaken følger flukslinjene. Da fluksen på denne måte ikke får noen komponent som er rettet vinkelrett på foliene, hindres dan-nelsen av hvirvelstrømmer i viklingslederne slik at disse får en i hovedsaken konstant strømtetthet over ledertverr-snittet. In fig. 1, the leakage flux running through the windings is indicated by dashed lines 9. The end parts of the windings are shaped so that the foils 5 and 6 mainly follow the flux lines. As the flux in this way does not get a component that is directed perpendicular to the foils, the formation of eddy currents in the winding conductors is prevented so that these get an essentially constant current density across the conductor cross-section.

Den på fig. 1 viste utførelse, ved hvilken inner-viklingens 3 endeparti er innadbøyd, har ulemper fra et produksjonsteknisk synspunkt. Disse kan unngås ved den ut-førelse som er vist på fig. 2 hvor den indre viklings 3 ledere har rett tverrsnitt. Den nærmest kjernebenet beliggende del av denne vikling har større aksial lengde enn den øvrige del av viklingen og danner derved en sylindrisk skjerm 10 hvorved det tilveiebringes en oppretting av lekkasjefluksen nærmest kjernebenet (kfr. svensk utlegningsskrift nr. 413 716). Den ytre vikling 4 har derimot en traktformet utbøyning slik at viklingens lederfolie 6 i hovedsaken følger flukslinjene for den resulterende, magnetiske lekkasjefluks. The one in fig. The embodiment shown in 1, in which the end part of the inner winding 3 is bent inwards, has disadvantages from a production technical point of view. These can be avoided by the design shown in fig. 2 where the inner winding's 3 conductors have a straight cross-section. The part of this winding located closest to the core leg has a greater axial length than the other part of the winding and thereby forms a cylindrical shield 10 whereby a correction of the leakage flux closest to the core leg is provided (cf. Swedish design document no. 413 716). The outer winding 4, on the other hand, has a funnel-shaped deflection so that the conductor foil 6 of the winding essentially follows the flux lines for the resulting magnetic leakage flux.

Da den plass som normalt er til disposisjon for en transformator- eller reaktorvikling, normalt har form av en sirkulær hulsylinder, er det hensiktsmessig at den ytre viklings 4 krummede kantpartier utformes under hensyntagen til dette, slik at viklingsplassen utnyttes maksimalt (kfr. fig. 2). I visse tilfeller kan det imidlertid være hensiktsmessig at den ytre vikling utføres med en med økende radius avtagende, aksial lengde (kfr. fig. 1), hvorved man blant annet oppnår at båndets forlengelse kan holdes på et lavere nivå under materialets bruddforlengelse. As the space normally available for a transformer or reactor winding is normally in the shape of a circular hollow cylinder, it is appropriate that the outer winding's 4 curved edge sections are designed taking this into account, so that the winding space is utilized to the maximum (cf. fig. 2 ). In certain cases, however, it may be appropriate for the outer winding to be carried out with an axial length that decreases with increasing radius (cf. fig. 1), thereby achieving, among other things, that the tape's elongation can be kept at a lower level below the material's elongation at break.

Det ved hjelp av lederbåndets krumning i radial retning tilveiebrakte, disponible rom ved viklingsendene kan eksempelvis utfylles med elektrisk ledende materiale. Derved oppnås en ytterligere reduksjon av strømtettheten i det kritiske område ved viklingsendene. The available space at the winding ends provided by the conductor band's curvature in the radial direction can, for example, be filled with electrically conductive material. Thereby, a further reduction of the current density in the critical area at the winding ends is achieved.

Fig. 3 viser et utførelseseksempel på den ytre viklings endeparti med av ledende folie bestående lederbånd 6 og mellom viklingsomløpene liggende isolasjonsfilm 11. Fig. 3 shows a design example of the end part of the outer winding with conductor band 6 consisting of conductive foil and insulating film 11 lying between the winding loops.

Av fig. 3 fremgår hvordan den traktformede utbøyning av ende-partiet kan tilveiebringes ved å benytte folie med dobbelt-bøyde kanter. Ved å variere bredden b av det innbøyde kantparti kan traktformen i en viss grad optimeres med henblikk på lekkasjefluksens konfigurasjon. Man kan også valse det ombøyde kantparti for å tilveiebringe en båndtykkelse ved kanten som er mindre enn 2 ganger folietykkelsen. From fig. 3 shows how the funnel-shaped deflection of the end portion can be provided by using foil with double-bent edges. By varying the width b of the bent edge part, the funnel shape can be optimized to a certain extent with regard to the configuration of the leakage flux. One can also roll the bent edge portion to provide a strip thickness at the edge that is less than 2 times the foil thickness.

Fig. 4 viser en utførelse hvor lederbåndet 6 ut-gjøres av to parallelle, direkte mot hverandre anliggende folier 6a og 6b som hver har halve lederbåndets tykkelse. Begge folier har dobbeltbøyde kanter, og de innbøyde partier av foliene er vendt mot hverandre og har forskjellig bredde. Ved hjelp av denne utførelse oppnås at økningen av båndtyk-kelsen mot kanten skjer i to trinn, slik at enda bedre fyllfaktor oppnås. Fig. 5 viser en utførelse hvor det disponible rom langs båndkanten er utfylt av en sammen med lederfolien 6 viklet, ekstra foliestrimmel 12 med kileformet tverrsnitt. Slike foliestrimler kan man selvsagt også benytte ved utfø-relsesformene ifølge fig. 3 og 4 for å variere båndkantens tykkelse. Disse strimler plasseres da hensiktsmessig inne i det ombøyde kantparti. Fig. 6 viser en utførelse hvor rommet mellom inner-viklingen 3 og ytterviklingen 4 er utfylt av kanalribber 13 hvis endepartier er formet slik at allerede det første omløp av ytterviklingen dobbeltkrummes. Ønsket form på de utenfor-liggende omløp eller vindinger tilveiebringes da ved hjelp av utfylling med tape mellom viklingsomløpene i en forholdsvis smal kantsone 14. Fig. 7 viser en utførelse der utfyllingen utgjøres av elektrisk isolerende strimler 15 med kileformet tverrsnitt. Mellom nærliggende strimler 15 ligger det i dette tilfelle, til forskjell fra utførelsen ifølge fig. 6, flere vindinger av lederbåndet 6, og utfyllingen strekker seg forholdsvis langt inn i viklingen. Utfyllingen er anordnet omtrent midt mellom to nærliggende kjølekanaler 16 der temperaturgradienten er null. På denne måte hindres ikke varmeledningen i radial retning. Alternativt kan utfyllingen anbringes midt i kjølekanalene. Strimlene kan eventuelt være oppfrynset slik at de ikke trenger å strekkes ved påviklingen. Fig. 4 shows an embodiment where the conductor tape 6 is made up of two parallel, directly opposite foils 6a and 6b, each of which has half the thickness of the conductor tape. Both foils have double-bent edges, and the bent parts of the foils face each other and have different widths. With the help of this design, it is achieved that the increase in tape thickness towards the edge takes place in two stages, so that an even better fill factor is achieved. Fig. 5 shows an embodiment where the available space along the tape edge is filled by an extra foil strip 12 with a wedge-shaped cross-section wound together with the conductor foil 6. Such foil strips can of course also be used in the embodiments according to fig. 3 and 4 to vary the thickness of the band edge. These strips are then suitably placed inside the bent edge part. Fig. 6 shows an embodiment where the space between the inner winding 3 and the outer winding 4 is filled by channel ribs 13 whose end parts are shaped so that already the first circuit of the outer winding is bent twice. The desired shape of the external loops or windings is then provided by filling with tape between the winding loops in a relatively narrow edge zone 14. Fig. 7 shows an embodiment where the filling consists of electrically insulating strips 15 with a wedge-shaped cross-section. Between adjacent strips 15 there is in this case, unlike the design according to fig. 6, several turns of the conductor band 6, and the filling extends relatively far into the winding. The filling is arranged roughly in the middle between two nearby cooling channels 16 where the temperature gradient is zero. In this way, the heating line is not obstructed in the radial direction. Alternatively, the filling can be placed in the middle of the cooling channels. The strips can optionally be frayed so that they do not need to be stretched when winding.

Claims

1. Power transformer or reactor comprising a core consisting of magnetic material with at least one leg (1) and yoke (2) and at least one winding (3, 4) containing a number of turns of band-shaped conductor material (6) which is wound in a spiral mainly concentrically around the core leg (1), the winding comprising an inner winding part (3) and one situated radially outside the inner winding part, outer winding part (4), characterized in that the conductor band (6) has a bent edge portion at each winding end in the outer winding part (4) where the band (6) at least in the outer winding loops shows in the direction towards the band edge a successively increasing distance from the geometric axis of the winding (3, 4), whereby the width of the tape is greater than the width of the entire bent edge portion of the said winding circuits.

2. Transformer or reactor according to claim 1, characterized in that the parts of the winding located closest to the yokes are shaped in such a way that the conductor band (6) in the main body, as is known per se, follows the flux lines (9) of the resulting, magnetic leakage flux corresponding to constant current density in the band (6).

3. Transformer or reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the cross-sectional curvature of the conductor strip in the end portions of the outer winding part (4) increases with increasing distance from the geometric axis of the winding (3, 4).

4. Transformer or reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the winding (4) has an axial length that decreases with increasing radius.

5. Transformer or reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the winding stem (7, 13) is designed in such a way that its bearing surface for the winding is doubly curved at the end parts.

6. Transformer or reactor according to one of the preceding claims, characterized in that separate, preferably self-adhesive strips (121 , possibly with a wedge-shaped cross-section.

7. Transformer or reactor according to claim 6, characterized in that the said strips are of electrically insulating material and are arranged at such places in the winding where the temperature gradient is zero.

8. Transformer or reactor according to one of claims 1-6, characterized in that the edges of the conductor tape (6) are double-bent.

9. Transformer or reactor according to claim 8, characterized in that the conductor band (6) consists of several parallel sub-bands (6a, 6b) with their flat sides facing each other with double-bent edges, the bent parts of the different sub-bands having different widths.