Verfahren und Vorrichtung zum Bewickeln eines geschlossenen Ringkerns für Transformatoren und Drosseln hoher Leistungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bewickeln eines geschlossenen Ringkernes für Transformatoren und Drosseln hoher Leistungen.
Verfahren zum maschinellen Bewickeln von Ringkernen kleiner Baugrösse bis zu einer Leistung von zum Beispiel 16 KVA sind bereits bekannt Die dabei verwendeten Draht¬ querschnitte beziehungsweise das hierbei verwendete Runddraht- Wickelmaterial lässt sich noch gut für den Wickelvorgang formen und verarbeiten.
Bei Transformatoren grösserer Leistung bis zum Beispiel 120 KVA werden nur in Sonderfallen Ringkerne und dabei insbesondere meist Ringkerne mit Trennstellen verwendet, die in aufwendiger Handarbeit bewickelt werden. Die hierbei notwendigen Leiterquerschnitte erfordern bei Bewickeln einen so grossen Aufwand, dass Transformatoren noch grösserer Leistung nicht mit Ringkernen realisiert werden.
Von der elektrotechnischen Seite her wären Ringkerne aber bei hohen Leistungen, zum Beispiel im MVA-Bereich insbesondere für Energieverteilungsnetze wünschenswert, da sich die wesentlich geringeren Verluste und die anderen, bekannten Vorteile bei Verwendung von Ringkerntransformatoren hier ganz besonders vorteilhaft auswirken würden und damit ein hoher volkswirtschaftlicher Nutzen vorhanden wäre.
Bei Transformatoren sehr grosser Leistung bestehen die Wicklungen in der Regel aus Bändern, die für die notwendigen Leiterquerschnitte sehr breit sind, damit die Dicke der Leiter soweit reduziert werden kann, dass der bandförmige Leiter noch um den Kern gewickelt und dabei gebogen werden kann.
Durch die ringförmige Geometrie des Ringkemes bei Ringkemtransformatoren lassen sich aber solche breiten, zum Beispiel einen Meter breite, Bänder nicht mehr verwenden, da bei dem vorgegebenen Krümmungsradius die Wicklung einen entsprechend grossen Abstand vom Kern haben würde beziehungsweise nicht mehr auf den Kern wegen des begrenzten, inneren Durchtrittsquerschnittes, passt
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Wickelvorrichtung für geschlossene Ringkerne zu schaffen womit auch Transformatoren sehr hoher Leistung
zum Beispiel für Verteilungsnetze gefertigt werden können. Der Aufwand hierfür soll vergleichsweise gering sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss insbesondere vorgeschlagen, dass der für eine Wicklung oder eine Teilwicklung vorgesehene Leiter auf eine zusammen mit dem Wickelgut durch die Ringkernöffnung hindurchpassende Wickelrolle aufgebracht und diese Wickelrolle anschliessend um den Ringkern und durch die Innenöffung hindurchge¬ führt und dabei die Wicklung von der Wickel-tolle auf den Ringkern umgewickelt wird- Dabei wird auf einen Ringkem-Radialabschnitt ein erstes Wicklungssegment aufgebracht, wobei bei der Erstellung dieses Wicklungssegments mehrere Lagen eines Leiters und einer Zwischenisolierung durch mehrere umlaufende Wickelrollen auf den Ringkem- Radialabschnitt aufgebracht werden. Anschliessend wird zum Aufbringen eines weiteren Wicklungssegments an einem anderen Ringkern-Radialabschnitt der Ringkem und die Wickelvorrichtung relativ zueinander verdreht und danach wird das Umwickeln des Ringkerns mit einer weiteren Wicklung vorgenommen.
Je nach dem für die notwendige Leistung erforderüchen Leiterquerschnitt kann mit diesem Verfahren die jeweilige Wicklung entweder in einem Arbeitsgang gewickelt werden oder aber es besteht auch die Möglichkeit, den Leiterquerschnitt auf mehrere Wicklungen zu verteilen und diese Wicklungen nacheinander aufzubringen.
Die jeweils in einem Wickelvorgang aufzubringende Wicklung oder Teilwicklung wird dabei zunächst auf die Wickelrolle aufgebracht und diese dann bei gleichzeitigem Abwickeln des elektrischen Leiters um den Ring und durch die Ringöffnung hindurchge¬ führt. Somit richtet sich die Grosse der Wickelrolle mit darauf befindlichem Wickelgut nach dem lichten Innenquerschnitt des verwendeten Ringkemes.
Durch dieses Verfahren und die bedarfsweise Aufteilung der Wicklung in mehrere Teil¬ wicklungen lassen sich Ringkemtransformatoren und Drosseln auch für höchste Leistun¬ gen mit vertretbarem Aufwand bauen. Bedarfsweise können für sehr grosse Leistungen Ringkemtransformatoren auch modulartig aus mehreren kleineren Grundeinheiten reali¬ siert werden, was insbesondere für den Transport und die Montage vor Ort Vorteile ergibt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass Wicklungen um den Ringkem gewickelt werden, dass anschliessend ein mit Luftspalten versehener, weitere Ringkern bei dem ersten Ringkem vorzugsweise konzentrisch angeordnet wird
und dass anschliessend beide Ringkerne mit gemeinsamen Wicklungen bewickelt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Transformator gleichzeitig mit integrierter Drossel wickeln.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, dass sie eine den zu bewickelnden Ringschenkel umgreifende Führung sowie mehrere, entlang dieser Führung durch den Ringkem hindurch transportierbare, abrollbare Wickelrolle mit Wickelgut, also mit Leiter bzw. mit Zwischenisolation, aufweist und dass die Führung zum Umgreifen des Ringschenkels eine Trennstelle aufweist und somit zangenförmig offen- und schliessbar ist Für das Bewickeln eines geschlossenen Ringkernes wird die Führung der Wickelmaschine zunächst zangenartig geöffnet und umgreift dann nach dem Schliessen von einer Seite einen Ringkem- Abschnitt Die Wickelrollen laufen dann entlang dieser Führung um, wobei gleichzeitig nacheinander der auf der Wickelrolle aufgewickelte elektrische Leiter und die Zwischenisolation von der jeweiligen Wickelrolle abgewickelt und auf den Ringkem aufgewickelt wird.
Der für einen Wickelvorgang verwendete Leiterquerschnitt sowie die Leiterlänge richten sich insbesondere nach dem vorhandenen Oeffnungsquerschnitt des Ringkernes. Entsprechend wird eine Aufteilung gemäss dem erforderlichen Gesamtquerschnitt der Ober- beziehungsweise Unterspannungswicklung auf mehrere Teilwicklungen nebeneinander bzw. auch aufeinander vorgenommen.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentiichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigt stärker schematisiert:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Wickelmaschine beim Bewickeln eines Ringkemes,
Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Wickelrolle,
Fig. 3 eine Aufsicht eines teilweise bewickelten Ringkemes, Fig. 4 und 5 Aufsichten von Ringkernen mit Luftspalt
Fig. 6 eine Querschnitt eines Ringkemes mit Querschnittabstufungen, Fig. 7 und 8 unterschiedliche Ausführungsformen von auf dem Ringkem befindlichen Endkoppelschichten
Fig. 9 bis 11 Wickelleiterenden in unterschiedlichen Formungsphasen.
Eine in Fig. 1 gezeigte Wickelvorrichtung 1 dient zum Bewickeln von geschlossenen Ringkernen 2 für Transformatoren oder Drosseln. Insbesondere sollen mit dieser Wickelvorrichtung Ringke-rne 2 von Hochleistungstransfoxmatoren gewickelt werden, deren Leistung beispielsweise oberhalb von 120 KVA liegt. Für solche Transformatoren weisen die aufzubringenden Wicklungen erhebliche Leiterquerschnitte auf, die nur noch schwer beim Bewickeln handhabbar sind.
Die erfindungsgemässe Wickelvorrichtung 1 weist im wesentlichen eine Führung 3 mit umlaufenden Wickelrollen 4 auf. Die Führung 3 umgreift wie gut in Fig. 1 erkennbar, den Ringkem-Schenkel 5, der im Ausführungsbeispiel aus gewickeltem Elektroblech 6 besteht Die Führung 3 ist zangenförmig ausgebildet und weist eine Trennstelle 7 sowie eine weitere, hier nicht sichtbare Trennstelle oder ein Schwenkgelenk gegenüber der Trennstelle 7 auf. Die Führung 3 kann somit aufgeklappt und um den Ringkem-Schenkel 5 herum gelegt werden.
Die Wickelrollen 4,4a laufen in Richtung des Pfeiles Pf 1 um. Die in Umlaufrichtung vordere Wickelrolle 4 trägt den für die aufzubringende Wicklung bestimmten elektrischen Leiter 8 während auf einer nachfolgenden Wickelrolle 4a Isolationsmaterial 26 für die Lagenisolierung aufgewickelt ist Beim Umlauf der Wickelrollen 4, 4a entlang der Führung 3 wird das auf den Wickelrollen befindliche Material abgewickelt und lagenweise auf den Ringkem-Schenkel 5 in dem dafür vorgesehenen Segment aufgewickelt
Da für die Transformatoren hoher Leistung die gesamte Länge des für eine Wicklung erforderlichen elektrischen Leiters meist nicht auf eine Wickelrolle 4 passt beziehungs¬ weise die damit gewickelte Wickelrolle 4 dann nicht durch die Innenöffnung 9 des Ring¬ kemes 2 passt, werden, wie gut in Fig. 3 erkennbar, mehrere Wicklungssegmente 10 am Umfang des Ringkemes 2 verteilt aufgebracht. Für jede dieser Teilwicklungen kann eine ausreichende Menge von Wickelmaterial auf die Wickelrolle 4 aufgebracht werden. Die Teilwicklungen oder Wicklungssegmente 10 werden dann miteinander verschaltet, so dass die Unterspannungswicklung und auch gegebenenfalls die Oberspannungswicklung aus mehreren Teil wicklungen gebildet wird.
Die Aufteilung der Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen bezüglich der Anordnung der einzelnen Wicklungssegmente 10 kann praktisch beliebig vorgesehen sein. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen jeweils in Segmenten abwechselnd nebeneinander oder aber gruppenweise einander zuzuweisen. Dadurch kann der Kopplungsgrad in weiten Grenzen variiert werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit bei einem Wicklungssegment 10 sowohl die Oberspannungs- als auch die Unterspannungswicklung aufzubringen. In diesem Falle könnten drei Wickelrollen im Umlauf sein, wobei die erste Wickelrolle zum Beispiel für die Unterspannungswicklung, die zweite Wickelrolle für die Isolierung und die dritte Wickelrolle für die Oberspannungwicklung vorgesehen sein.
Wie in Fig 1 und Fig. 2 erkennbar, weist die hier ringförmige Führung 3 zwei konzentrisch mit Abstand zueinander angeordnete Führungsschienen 11, 1 la auf, zwischen denen ein umlaufendes, mit einem Antrieb verbundenes Transportmittel 12 geführt ist (Fig. 2). Als Transportmittel 12 kann eine umlaufende Kette oder ein Riemen oder dergleichen dienen an der beziehungsweise dem sich Kupplungsstellen 13 für Wickelrollen befinden.
Wie in Fig. 2 erkennbar, weisen die Wickelrollen Wickelkörper 14 auf, die drehbar auf eine Achse 15 gelagert sind. An dem dem Transportmittel 12 zugewandten Ende ist die Achse als Kupplungsteil ausgebildet und kann damit bei den Kupplungsstellen 13 des Transportmittels 12 vorzugsweise drehfest eingreifen. Zur Sicherung der Steckverbindung ist eine Befestigungsschraube 16 vorgesehen.
Der Wickelkörper 14 ist drehbar auf der Achse 15 gelagert und es ist eine vorzugsweise einstellbare Bremsvorrichtung 17 vorgesehen, mit der der Wickelkörper beim Abwickeln des elektrischen Leiters abgebremst werden kann. Mit der Bremsvorrichtung 17 ist somit der Wickelzug und damit die Festigkeit der aufzubringenden Wicklung steuerbar. Neben dem in das Transportmittel 12 eingreifenden Befestigungsende der Achse 15 ist auf dieser noch ein zwischen die Führungsschienen 11, 11a eingreifendes Wälzlager 18 vorgesehen.
Vor dem Aufbringen der Wicklungen beziehungsweise Teilwicklungen wird auf den beispielsweise aus gewickeltem Elektroblech 6 bestehenden Ringkem 2 eine elastische Entkopplungsschicht 19 aufgebracht. Diese dient zum Ausgleich von Wärmedehnungen, insbesondere auch, wenn der Transformator nach dem Bewickeln in Giessharz eingegossen wird.
In Fig. 1 ist noch eine Haltevoπichtung 20 für den zu bewickelnden Ringkem 2 angedeutet, mittels der der Ringkem 2 gehalten und gegebenenfalls auch gedreht werden kann. Somit kann nach dem Fertigstellen einer Wicklung der Ringkem 2 in Umfangsrichtung gedreht und dann eine weitere Wicklung aufgebracht werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Relativ-Drehbewegung zwischen Ringkem und Wickelvorrichtung 1 von der Wickelvorrichtung selbst ausgeführt wird, indem diese in Umfangsrichtung des Ringkemes 2 positionierbar ist.
Bei einer Aufteilung einer Unterspannungswicklung oder einer Oberspannungswicklung in eine Reihe von Teilwicklungen oder Wicklungssegmenten 10 müssen diese miteinander verbunden werden. Um dieses Verbinden zu vereinfachen, wird die in den Figuren 9 bis 11 gezeigte Ausbildung der Wicklungsenden vorgeschlagen.
Das Ende des bandförmigen elektrischen Leiters 8 wird dazu um eine in der Bandebene liegende, schräge Knicklinie 21 gefaltet, so dass das Ende dann winklig zum übrigen Leiter 8, vorzugsweise rechtwinklig verläuft Dieses abgewinkelte, gefaltete Ende kann dann, wie in Fig. 10 gezeigt, in seiner Breite durch Umf alten halbiert werden. Dies kann so lange wiederholt werden, bis ein kompaktes Anschlussende 22 entsteht das mechanisch stabil ist und mit den ebenfalls so ausgebildeten Anschlussenden benachbarter Wicklungen mit Hilfe von Press-, Schweiss- oder Löttechnik verbunden werden kann. Dies vereinfacht somit ganz erheblich das Verschalten der einzelnen Teil Wicklungen.
Der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Transformator kann auch mit einer integrierten Drossel ausgerüstet sein. Dazu wird, wie vorbeschrieben, zunächst ein Teil der Wicklungen oder der Wicklungssegmente 10 auf den Ringkem 2 aufgebracht. Anschliessend wird ein weiterer Ringkem 2a oder 2b (vergleiche Fig. 4 und Fig. 5), die mit Luftspalten 23 versehen sind, dem teilbewickelten Ringkem 2 zugeordnet und es werden dann beide Ringkerne mit weiteren Wicklungen gemeinsam umwickelt
Fig. 6 zeigt einen im Schnitt dargestellten Stufen-Ringkem 2c, durch den unerwünschte Wickelzwischenräume zwischen Ringkem und Wicklung vermieden werden können. Deutlich ist hier auch der Verlauf der vorgesehenen Entkopplungsschichten 19 erkennbar.
Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen zwischen dem Ringkem 2 und einer aufzubringenden Wicklung (hier nicht dargestellt) befindliche Zwischenschichten 24, die Kühlkanäle 25 zur
Kühlung der Wicklungen und des Kernes aufweist. Von aussen können diese Kühlkanäle 25 mit einem kühlenden Medium versorgt werden.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Zwischenschicht 24 aus elastischem Material ist und damit gleichzeitig die Entkopplungsschicht 19 bildet Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform, wo die Kühlkanäle 25 in einer von der bei der Entkopplungsschicht 19 getrennten Zwischenschicht 24 untergebracht sind.
Erwähnt sei noch, dass die Entkopplungsschicht auf den radialen und den axialen Seiten des Ringkemes unterschiedlich ausgebildet sein kann, um einen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Kernes durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung zu erreichen.