WO2009138116A1 - Polygonaler transformatorkern - Google Patents

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WO2009138116A1
WO2009138116A1 PCT/EP2008/010246 EP2008010246W WO2009138116A1 WO 2009138116 A1 WO2009138116 A1 WO 2009138116A1 EP 2008010246 W EP2008010246 W EP 2008010246W WO 2009138116 A1 WO2009138116 A1 WO 2009138116A1
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transformer core
winding
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Charles W. Johnson
Jan Leander
Karel Bilek
Benjamin Weber
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Abb Technology Ag
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Priority claimed from PCT/EP2008/003825 external-priority patent/WO2009138100A1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H01F30/16—Toroidal transformers
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores

Definitions

  • the invention relates to a transformer core for a power transformer, wherein the transformer core in the form of a closed torus-like structure extends around a central axis and is formed from a plurality of adjacent layers of sheet metal.
  • transformers in the distribution of electrical energy by transforming or switching AC voltage from a high level to a low voltage level or vice versa.
  • Power distribution networks are usually constructed in 3-phase, i. there are three mutually associated individual conductors in each case by 120 ° phase angle shifted voltages whose in-phase mathematical summation in the symmetrical state of the energy distribution network always gives the value zero.
  • Line ranges of such power transformers range from a few kVA up to several 100 MVA, the operating voltages are usually between 6kV and 38OkV.
  • a 3-phase power transformer usually has at least one primary and one secondary winding for each phase, so that a total of at least 6 individual windings result.
  • 3-phase power transformers are known in which all windings are arranged around a common transformer core having a plurality of legs, wherein a leg then, for example, each a primary and a secondary winding of a phase passes through.
  • 3-phase power transformers which are formed by suitable electrical interconnection of three 1-phase transformers at which the primary and secondary windings of each phase are each penetrated by a separate annular transformer core.
  • An annular transformer core has approximately the shape of a tome, i. a portion of a torus-shaped transformer core, which passes through a winding segment, does not have the shape of a straight cylinder but approximately the shape of a bent cylinder, which follows with its central axis a circle segment.
  • Windings of a ribbon conductor are characterized in that the ribbon conductor is spirally wound around a winding axis, wherein the width of the ribbon conductor extends over the entire width of the winding. Due to the design, it is not possible to produce a winding from a ribbon conductor whose radially inner region has the previously described shape of a bent cylinder, which follows with its central axis a curved circular segment. Instead, windings made of a flat strip material have a cylindrical radial inner surface around a straight winding axis.
  • the distance between a radial inner boundary surface of a transformer winding and the radial outer surface of a transformer core cross-sweeping transformer core section is as small as possible. This is not the case in the described arrangement, in which a bent portion of a torus-shaped transformer core passes through a cylindrical radial inner region of a winding of a ribbon conductor - there are always increased distances between the winding and transformer core due to the inequality of the forms described.
  • the transformer core according to the invention is characterized in that the torus-like structure running around the central axis has a polygonal floor plan with three or five or more corners and in each case a corresponding number of transformer legs.
  • a transformer core with a polygonal floor plan has a plurality of straight transformer legs, wherein a kink is provided between each two transformer legs. All transformer legs form a closed ring structure by means of the respective kink. A kink is also executable in the form of a bend.
  • the straight transformer legs advantageously allow a minimum distance between their radial outer surface and the radial cylindrical inner boundary surface of the respective winding, which is penetrated by the respective transformer leg.
  • the core cross section is at least partially approximated to an ellipse or a circle. The production of a winding to be arranged around this cross-section is thereby simplified.
  • transformer core In a further embodiment of the transformer core according to the invention whose polygonal floor plan based on a regular polygon with 3, 5, 6, 7, 8, 9 10, 11 or 12 corners.
  • this has at least one metal sheet which extends at least once along the entire torus-like structure at an angle of at least 360 ° about the central axis.
  • the polygonal transformer core using only a single sheet metal strip, which - similar to a ribbon winding - is wound in several layers but in a polygonal shape around the central axis of the transformer core to be manufactured.
  • a further arrangement according to the invention of windings or winding modules about a transformer core produced in this way is that the winding or the winding segments are manufactured or wound around the respective core section of a closed transformer core.
  • At least one sheet metal layer in the transformer core is present, which has only a single sheet.
  • the number of sheets and thus the manufacturing cost of the transformer core can be reduced in an advantageous manner.
  • transformer core according to the invention this is assembled from at least two connectable core sections.
  • a core portion is preferably to be made by suitable construction using separate sheets or else by division of a larger core portion or a complete core.
  • a core section in the case of an even-numbered polygonal floor plan has exactly two transformer legs.
  • one winding or one winding segment can be arranged in a simple manner around each of the two transformer legs.
  • connection of the core sections also takes place by means of toothing of individual sheet metal layers and / or sheet metal layer regions.
  • the magnetic flux can be better guided at the junctions between the respective core sections and the efficiency of the transformer can thus be increased.
  • each transformer leg receives at least one winding segment wound radially around a respective winding axis, the radially inner region of which is penetrated by the respective transformer leg, wherein the width corresponds to one respective winding segment of the respective spatial extension along its winding axis.
  • winding segments can be connected by suitable electrical circuitry, for example series and / or parallel connection, to form an electrical functional unit, which in such an arrangement has, for example, the functionality of a 1-phase transformer.
  • the width of a respective winding segment tapers at least in sections in the direction of the central axis of the transformer core.
  • Fig. 3 shows an example of a core cross section
  • FIG. 4 shows an example of a transformer with hexagonal transformer core.
  • a band-shaped winding conductor 17 is arranged in triangular form about a first imaginary central axis 14.
  • the band-shaped winding conductor 17 is characterized by its first sheet end 16 in the radially outermost sheet metal layer and its second sheet end 18 in the radially innermost sheet metal layer.
  • the three legs of the transformer core run in a straight line between the respective kinks.
  • the transformer core part shown in FIG. 1 initially does not have the round cross-sectional shape according to the invention. This could be approximated, for example, by the fact that in each case adjacent to the imaginary first center axis 14 further radially inwardly and radially outwardly further triangular transformer core parts of lesser length along the first imaginary central axis 14 than the triangular transformer core part 10 are connected thereto. That way would be one round cross section of the transformer core approximated by 3 rectangular adjoining partial cross sections.
  • FIG. 2 shows a top view of a section through an exemplary octagonal transformer core 20. It runs in torus-like fashion about a second imaginary central axis 35.
  • the octagonal transformer core 20 furthermore has a first core section 31, a second core section 32, a third core section 33 and a fourth core portion 34 which are connected to each other in a respective first connection region 21, a second connection region 22, a third connection region 23 and a fourth connection region 24.
  • the fourth connection region 24 is shown in more detail with a first overlap region 25 and a second overlap region 26.
  • a toothing of transformer plates for producing a connection it makes sense, for example, to allow a transformer plate of the fourth core section 34 to protrude in a sheet-metal layer into the actual area of the third core section 33 of the same sheet-metal layer, which corresponds to the first overlapping area 25 in the illustrated FIG.
  • the corresponding sheet of the third core portion 33 is shortened by the same first overlapping area 25.
  • a metal sheet of the third core section 33 protrudes into the region of the fourth core section 34, this corresponding to the second overlapping zone 26.
  • a metal sheet of the third core section 33 protrudes into the region of the fourth core section 34, this corresponding to the second overlapping zone 26.
  • FIG. 3 shows an example of an approximately circular core cross-section 40 of a transformer core according to the invention.
  • This has a first 41, second 42, third 43, fourth 44, fifth 45, sixth 46, seventh 47 and pay attention to 48 sheet metal layer area.
  • Each sheet-metal layer region 41 - 48 in turn has a plurality of layered sheets, in the case of the eighth sheet-metal sheet portion 48, the sheets 48-1 - 48-5.
  • the sheets of a sheet metal layer area are approximately the same width, so that in each case an approximately rectangular cross section results for a sheet metal layer area.
  • an approximately circular core cross-section 40 results-as can be seen in the figure.
  • a core cross-section is considered as approximately circular-or elliptical in the context of this invention if it is at least three of the individual cross-sections each rectangular sheet metal layer areas is formed, wherein adjacent sheet metal layer areas each have a different width.
  • FIG. 4 shows a top view of a section through an exemplary transformer 100 with hexagonal transformer core 102 and six winding segments.
  • the hexagonal transformer core extends around an imaginary third center axis 104. It has six straight transformer legs and six kinks each. The kinks are shown sharp-edged in the presentation, but it is well in the spirit of the invention, if they are designed in the form of a bow.
  • the metal sheets, which the transformer core 102 has are arranged either in respective planes transversely to the third imaginary central axis 104 or, in a further embodiment, parallel to the third imaginary central axis 104.
  • Each straight leg of the hexagonal transformer core takes in the illustrated Fig. Ever a winding segment.
  • Each winding segment has a respective primary winding 111, 112, 113, 114, 115 and 116 and one secondary winding 121, 122, 123, 124, 125 and 126, respectively.
  • These windings are suitably electrically interconnected to ensure the operability of the transformer 100, for example, all the primary windings connected in series to reduce the voltage stress for each winding segment.
  • the secondary windings are preferably to be connected in parallel in order to reduce the current load for each winding segment.
  • the primary 111-116 and secondary windings 121-126 of a respective winding segment are each arranged around the same winding axis, in the illustrated example the secondary winding being respectively radially outward and the primary windings respectively radially inward to the respective winding axis.
  • the respective winding axes of the winding segments extend along the respective transformer leg, from which they are penetrated.
  • a trapezoidal cross section of the respective secondary winding 121 - 126 can be seen. This serves, in particular, to better fill the inner region of the hexagonal transformer core 102, that is to say the region between the imaginary third central axis 104 and the extent of the core material of the transformer core 102.
  • Such a winding with a trapezoidal cross-section can be produced either by using a round conductor or else by using a deformed ribbon conductor.
  • the first winding segment has a first width 121 at the primary-to-secondary winding interface, and a smaller second width 130 further radially outward.
  • Example of a Triangular Transformer Core Part First imaginary center axis First sheet end Band shaped sheet Second sheet end Example of an octagonal transformer core First connection area Second connection area Third connection area Fourth connection area First overlap area of fourth connection area Second overlap area of fourth connection area First core section Second core section Third core section Fourth core section Second central axis imagined Core cross section First Sheet metal layer area Second sheet layer area Third sheet layer area Fourth sheet layer area Fifth sheet layer area Sixth sheet layer area Seventh sheet layer area Eighth sheet layer area -1 First sheet -2 Second sheet -3 Third sheet -4 Fourth sheet -5 Fifth sheet 100

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern (10, 20, 102) für einen Leistungstransformator (100). Der Transformatorkern (10, 20, 102) erstreckt sich in Form einer geschlossenen Tours-ähnlichen Struktur um eine gedachte Mittelachse (14, 35, 104). Der Transformatorkern (10, 20, 102) wird in der Hauptsache aus einer Vielzahl aneinandergrenzender Lagen Blech (17, 48-1, 48-2, 48-3, 48-4, 48-5) gebildet wird. Er weist eine um die Mittelachse (14, 35, 104) verlaufende Torusähnliche Struktur mit einem polygonalen Grundriss mit drei beziehungsweise fünf oder mehr Ecken sowie jeweils eine entsprechende Anzahl an Transformatorschenkeln aufweist.

Description

Polygonaler Transformatorkern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern für einen Leistungstransformator, wobei sich der Transformatorkern in Form einer geschlossenen Torus-ähnlichen Struktur um eine Mittelachse erstreckt und aus einer Vielzahl aneinandergrenzender Lagen Blech gebildet ist.
Es ist allgemein bekannt, Transformatoren bei der Verteilung elektrischer Energie zu nutzen, indem Wechselspannung von einem hohen Niveau zu einem niederen Spannungsniveau oder umgekehrt transformiert oder umgespannt wird. Energieverteilungsnetze sind üblicherweise 3-phasig aufgebaut, d.h. es liegen an drei zueinander gehörenden Einzelleitern jeweils um 120° Phasenwinkel verschobene Spannungen an, deren phasenrichtige mathematische Summation im symmetrischen Zustand des Energieverteilungsnetzes stets den Wert null ergibt. Leitungsbereiche derartiger Leistungstransformatoren reichen von einigen kVA bis hin zu mehreren 100 MVA, die Betriebsspannungen liegen üblicherweise zwischen 6kV und 38OkV.
Ein 3-phasiger Leistungstransformator weist üblicherweise für jede Phase wenigstens je eine Primär- und eine Sekundärwicklung auf, so dass sich in der Summe wenigstens 6 Einzelwicklungen ergeben. Es sind 3-phasige Leistungstransformatoren bekannt, bei welchen alle Wicklungen um einen gemeinsamen Transformatorkern mit mehreren Schenkeln angeordnet sind, wobei ein Schenkel dann beispielsweise je eine Primär- und eine Sekundärwicklung einer Phase durchgreift.
Es sind auch 3-phasige Leistungstransformatoren bekannt, welche durch geeignete elektrische Verschaltung aus drei 1 -phasigen Transformatoren gebildet werden, bei welchen die Primär- und Sekundärwicklung je einer Phase jeweils von einem separaten ringförmigen Transformatorkern durchgriffen werden.
Bei einer derartigen 1 -phasigen Wicklungsanordnung mit ringförmigem Kern erweist es sich aus Gründen der Kompaktheit der Anordnung als vorteilhaft, die 1 -phasige Primär- und/oder Sekundärwicklung ebenfalls in Form von mehreren separaten Wicklungselementen anzuordnen, beispielsweise entlang einer kreisähnlichen Bahn, wobei alle Wicklungssegmente von dem ringförmigen Kern durchgriffen werden, wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 557 549 B1 beschrieben.
Nachteilig an einem derartigen ringförmigen Transformatorkern ist insbesondere, dass dieser zur Aufnahme von Wicklungen aus einem Flachbandleiter nur bedingt verwendbar ist. Ein ringförmiger Transformatorkern weist in etwa die Form eines Toms auf, d.h. ein Abschnitt eines torus-förmigen Transformatorkernes, welcher ein Wicklungssegment durchgreift, weist nicht die Form eines geraden Zylinders sondern näherungsweise die Form eines gebogenen Zylinders auf, der mit seiner Mittelachse einem Kreissegment folgt.
Wicklungen aus einem Flachbandleiter sind dadurch gekennzeichnet, dass der Flachbandleiter spiralförmig um eine Wickelachse gewickelt ist, wobei sich die Breite des Flachbandleiters über die gesamte Breite der Wicklung erstreckt. Konstruktionsbedingt ist es nicht möglich, eine Wicklung aus einem Flachbandleiter zu fertigen, deren radial innerer Bereich die zuvor beschriebene Form eines gebogenen Zylinders aufweist, welcher mit seiner Mittelachse einem gebogenen Kreissegment folgt. Wicklungen aus einem Flachbandmaterial weisen vielmehr eine zylinderförmige radiale Innenfläche um eine gerade Wickelachse auf.
Insbesondere aus Gründen eines erhöhten Wirkungsgrades eines Leistungstransformators ist es aber vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen einer radialen inneren Grenzfläche einer Transformatorwicklung und der radialen Außenfläche eines diese Transformatorwicklung durchgreifenden Transformatorkernabschnittes möglichst gering ist. Dies ist bei der beschriebenen Anordnung, bei der ein gebogener Abschnitt eines torus-förmigen Transformatorkerns einen zylinderförmigen radialen Innenbereich einer Wicklung aus einem Flachbandleiter durchgreift, nicht der Fall - es entstehen aufgrund der Ungleichheit der beschriebenen Formen stets erhöhte Abstände zwischen Wicklung und Transformatorkern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Torus-ähnlichen Transformatorkern für einen Leistungstransformator der eingangs genannten Art anzugeben, welcher bei Anordnung mehrerer Wicklungen mit zylinderförmigen radial innerer Grenzfläche um diesen Transformatorkern einen reduzierten Abstand zwischen radialen Außenflächen des jeweiligen Transformatorkernabschnittes und der jeweiligen radialen Innenfläche der betreffenden Wicklung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Transformatorkern mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Demgemäß ist der erfindungsgemäße Transformatorkern dadurch gekennzeichnet, dass die um die Mittelachse verlaufende Torus-ähnliche Struktur einen polygonalen Grundriss mit drei beziehungsweise fünf oder mehr Ecken sowie jeweils eine entsprechende Anzahl an Transformatorschenkeln aufweist.
Ein Transformatorkern mit polygonalem Grundriss weist mehrere an sich gerade Transformatorschenkel auf, wobei zwischen jeweils zwei Transformatorschenkeln eine Knickstelle vorgesehen ist. Alle Transformatorschenkel bilden mittels der jeweiligen Knickstelle eine geschlossene Ringstruktur. Eine Knickstelle ist auch in Form einer Biegung ausführbar.
Die geraden Transformatorschenkel ermöglichen in vorteilhafter Weise einen minimalen Abstand zwischen deren radialer Außenfläche und der radialen zylinderförmigen inneren Grenzfläche der jeweiligen Wicklung, welche vom jeweiligen Transformatorschenkel durchgriffen wird. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkerns ist der Kernquerschnitt zumindest abschnittsweise an eine Ellipse oder einen Kreis angenähert. Die Fertigung einer um diesen Querschnitt anzuordnenden Wicklung wird dadurch vereinfacht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns basiert dessen polygonaler Grundriss auf einem regelmäßigen Polygon mit 3, 5, 6, 7, 8, 9 10, 11 oder 12 Ecken.
Die Verwendung eines regelmäßigen polygonalen Grundrisses führt zu einer gleichen Länge aller Transformatorschenkel und zu einer Winkelgleichheit an allen Knickstellen des Kernes. Hierdurch ist es in vorteilhafter weise möglich, baugleiche Wicklungen oder Wicklungssegmente um den Transformatorkern anzuordnen beziehungsweise von diesem durchgreifen zu lassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns weist dieser zumindest ein Blech auf, welches sich wenigstens einmal entlang der gesamten Torus-ähnlichen Struktur in einem Winkel von wenigstens 360° um die Mittelachse erstreckt.
Demgemäß ist vorgesehen, den polygonalen Transformatorkern unter Verwendung nur eines einzigen Blechstreifens zu fertigen, welcher - ähnlich einer Flachbandwicklung - in mehreren Lagen aber in polygonaler Form um die Mittelachse des zu fertigenden Transformatorkerns gewickelt ist. Zum Erreichen eines rundlichen Querschnittes des Transformatorkernes ist es sowohl im Gedanken der Erfindung, die Breite eines solchen Blechstreifens entlang seiner Länge entsprechend zu variieren.
Alternativ kann in erfindungsgemäßer Weiterbildung auch vorgesehen sein, zunächst mehrere polygonale Kernteile mit mehreren um eine Mittelachse verlaufenden Lagen Transformatorblech mit jeweils unterschiedlicher Breite der Kernteile zu fertigen, welche jeweils aufeinander abgestimmtem Innen- beziehungsweise Außendurchmesser aufweisen. In einem weiteren Schritt sind diese dann ineinander verschachtelbar und zu einem gemeinsamen Transformatorkern verbindbar. Wicklungen sind um einen solchen nicht-teilbaren Transformatorkern entweder dadurch angeordnet, dass sie bereits bei der Herstellung des Kerns berücksichtigt werden, dass also der Transformatorkern auch innerhalb der bereits zumindest provisorisch angeordneten zylinderförmigen Innenbereiche der Wicklungen oder Wicklungssegmente gefertigt wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung von Wicklungen beziehungsweise Wicklungsmodulen um einen derart gefertigten Transformatorkern besteht darin, dass die Wicklung oder die Wicklungssegmente um den jeweiligen Kernabschnitt eines geschlossenen Transformatorkernes gefertigt beziehungsweise gewickelt werden.
Somit ist wenigstens eine Blechlage im Transformatorkern vorhanden, welche lediglich ein einziges Blech aufweist. Insbesondere bei einer Anordnung der Transformatorbleche parallel zur Mittelachse des Transformatorkerns ist die Anzahl der Bleche und damit der Fertigungsaufwand des Transformatorkernes in vorteilhafter Weise reduzierbar.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns ist dieser aus wenigstens zwei verbindbaren Kernabschnitten zusammengefügt.
Ein Kernabschnitt ist vorzugsweise durch geeigneten Aufbau unter Verwendung von separaten Blechen herzustellen oder aber auch durch Teilung eines größeren Kernabschnittes oder eines kompletten Kernes.
Die spätere Anordnung von Wicklungen um den Transformatorkern wird bei getrennten Kernabschnitten deutlich vereinfacht. Nach Anordnung der jeweiligen Wicklungen um die jeweiligen Kernabschnitte sind diese im Herstellungsprozess eines Transformators zusammenzufügen. In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns weist ein Kernabschnitt bei einem gradzahligen polygonalen Grundriss genau zwei Transformatorschenkel auf.
Auf diese Weise ist um jeden der beiden Transformatorschenkel in einfacher Weise je eine Wicklung beziehungsweise ein Wicklungssegment anordenbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformatorkernes erfolgt die Verbindung der Kernabschnitte auch mittels Verzahnung einzelner Blechlagen und/oder Blechlagenbereiche.
Der magnetische Fluss ist an den Verbindungsstellen zwischen den jeweiligen Kernabschnitten besser führbar und der Wirkungsgrad des Transformators damit steigerbar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkernes nimmt jeder Transformatorschenkel wenigstens ein radial um eine jeweilige Wickelachse gewickeltes Wicklungssegment auf, dessen radial innerer Bereich von dem jeweiligen Transformatorschenkel durchgriffen ist, wobei die Breite eins jeweiligen Wicklungssegmentes der jeweiligen räumlichen Ausdehnung entlang seiner Wickelachse entspricht.
Die Wicklungssegmente sind durch geeignete elektrische Verschaltung, beispielsweise Reihen- und/oder Parallelschaltung, zu einer elektrischen Funktionseinheit verbindbar, welche in einer derartigen Anordnung beispielsweise die Funktionalität eines 1-Phasen Transformators aufweist.
Durch die Verwendung mehrerer baugleicher Wicklungssegmente ist der Aufwand für die Herstellung eines derartigen Transformators vorteilhaft reduzierbar.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformatorkerns verjüngt sich die Breite eines jeweiligen Wicklungssegmentes zumindest abschnittsweise in Richtung zur Mittelachse des Transformatorkernes. Somit ist der Innenbereich des Transformatorkernes, also der Bereich zwischen Mittelachse und dem kernmaterial, in vorteilhafter weise in einem hohen Maße mit den angeordneten Wicklungssegmenten nutzbar. Die Größe des Transformators ist dadurch in vorteilhafter weise reduzierbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil,
Fig. 2 ein Beispiel für einen oktagonalen Transformatorkern,
Fig. 3 ein Beispiel für einen Kernquerschnitt sowie
Fig. 4 ein Beispiel für einen Transformator mit hexagonalem Transformatorkern.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil 10 in perspektivischer Ansicht. Ein bandförmiger Wicklungsleiter 17 ist in Dreiecksform um eine erste gedachte Mittelachse 14 angeordnet. Der bandförmige Wicklungsleiter 17 ist durch sein erstes Blechende 16 in der radial äußersten Blechlage und sein zweites Blechende 18 in der radial innersten Blechlage charakterisiert. Die drei Schenkel des Transformatorkernes verlaufen gradlinig zwischen den jeweiligen Knickstellen.
Der in Fig. 1 dargestellte Transformatorkernteil weist zunächst nicht die erfindungsgemäße runde Querschnittsform auf. Diese ließe sich beispielsweise dadurch approximieren, dass jeweils zur gedachten ersten Mittelachse 14 radial innen und radial außen angrenzende weitere dreieckige Transformatorkernteile mit geringerer Länge längs der ersten gedachten Mittelachse 14 als der dreieckige Transformatorkernteil 10 mit diesem verbunden werden. Auf diese Weise wäre ein runder Querschnitt des Transformatorkernes durch 3 rechteckförmige aneinandergrenzende Teilquerschnitte approximiert.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Schnitt durch einen beispielhaften oktagonalen Transformatorkern 20. Dieser verläuft in Torus-ähnlicher Form um eine zweite gedachte Mittelachse 35. Der oktagonale Transformatorkern 20 weist weiterhin einen ersten Kernabschnitt 31 , einen zweiten Kernabschnitt 32, einen dritten Kernabschnitt 33 und einen vierten Kernabschnitt 34 auf, welche in einem betreffenden ersten Verbindungsbereich 21 , einem zweiten Verbindungsbereich 22, einem dritten Verbindungsbereich 23 und einem vierten Verbindungsbereich 24 miteinander verbunden sind.
Der vierte Verbindungsbereich 24 ist detaillierter mit einem ersten Überlappungsbereich 25 und einem zweiten Überlappungsbereich 26 dargestellt. Bei einer Verzahnung von Transformatorblechen zur Herstellung einer Verbindung ist es beispielsweise sinnvoll, ein Transformatorblech des vierten Kernabschnittes 34 in einer Blechlage in den eigentlichen Bereich des dritten Kernabschnittes 33 der selben Blechlage hineinragen zu lassen, was in der dargestellten Fig. dem ersten Überlappungsbereich 25 entspricht. Das entsprechende Blech des dritten Kernabschnittes 33 ist um denselben ersten Überlappungsbereich 25 verkürzt.
Entsprechend ragt in einer weiteren Blechlage ein Blech des dritten Kernabschnittes 33 in den Bereich des vierten Kernabschnittes 34, wobei dies dem zweiten Überlappungsbereich 26 entspricht. Es sind durchaus auch weitere Ausführungsformen einer entsprechenden Verzahnung jeweils an den Verbindungsstellen 21 , 22, 23, 24 denkbar.
Zu einer hinreichenden Verzahnung der jeweiligen Kernabschnitte 31 , 32, 33, 34 ist es im gezeigten Beispiel sinnvoll, eine derartige Verzahnung blechlagen- oder blechlagenpaketweise wechselseitig längs der Höhe der aneinandergrenzenden Bleche an allen Verbindungsstellen 21 , 22, 23, 24 durchzuführen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für einen näherungsweise kreisförmigen Kernquerschnitt 40 eines erfindungsgemäßen Transformatorkerns. Dieser weist einen ersten 41 , zweiten 42, dritten 43, vierten 44, fünften 45, sechsten 46, siebten 47 und achten 48 Blechlagenbereich auf. Jeder Blechlagenbereich 41 - 48 weist seinerseits mehrere geschichtete Bleche auf, im Fall des achten Blechlagenbereiches 48 die Bleche 48-1 - 48-5. Die Bleche eines Blechlagenbereiches sind näherungsweise gleich breit, so dass sich für einen Blechlagenbereich jeweils ein näherungsweise rechteckiger Querschnitt ergibt. Durch geeignete Wahl der Breite der jeweiligen Blechlagenbereiche 41 - 48 ergibt sich - wie in der Fig. ersichtlich - ein näherungsweise kreisförmiger Kernquerschnitt 40. Ein Kernquerschnitt wird im Rahmen dieser Erfindung dann als annähernd kreisförmig - beziehungsweise elliptisch angesehen, wenn dieser aus den Einzelquerschnitten wenigstens dreier jeweils rechteckförmiger Blechlagenbereichen gebildet wird, wobei benachbarte Blechlagenbereiche eine jeweils unterschiedliche Breite aufweisen.
Fig. 4 zeigt ein die Draufsicht auf einen Schnitt durch einen beispielhaften Transformator 100 mit hexagonalem Transformatorkern 102 und sechs Wicklungssegmenten. Der hexagonale Transformatorkern erstreckt sich um eine gedachte dritte Mittelachse 104. Er weist je sechs gerade Transformatorschenkel und je sechs Knickstellen auf. Die Knickstellen sind in der Darstellung scharfkantig gezeigt, es ist aber durchaus im Gedanken der Erfindung, wenn diese in Form eines Bogens ausgeführt sind. Die Bleche, welche der Transformatorkern 102 aufweist, sind je nach Bauweise des Transformatorkernes 102 entweder in jeweiligen Ebenen quer zur dritten gedachten Mittelachse 104 angeordnet oder aber in einer weiteren Ausführungsform parallel zur dritten gedachten Mittelachse 104.
Jeder gerade Schenkel des hexagonalen Transformatorkerns nimmt in der dargestellten Fig. je ein Wicklungssegment auf. Jedes Wicklungssegment weist je eine Primärwicklung 111 , 112, 113, 114, 115 bzw. 116 und je eine Sekundärwicklung 121 , 122, 123, 124, 125 bzw. 126 auf. Diese Wicklungen sind in geeigneter Weise elektrisch miteinander zu verschalten, um die Funktionsfähigkeit des Transformators 100 zu gewährleisten, beispielsweise alle Primärwicklungen in Reihenschaltung, um die Spannungsbeanspruchung für jedes Wicklungssegment zu reduzieren. Analog sind die Sekundärwicklungen vorzugsweise in Parallelschaltung zu verschalten, um die Strombeanspruchung für jedes Wicklungssegment zu reduzieren. Die Primär- 111- 116 und Sekundärwicklungen 121 - 126 eines jeweiligen Wicklungssegmentes sind jeweils um dieselbe Wickelachse angeordnet, wobei im dargestellten Beispiel die Sekundärwicklung jeweils radial außen und die Primärwicklungen jeweils radial innen zur jeweiligen Wickelachse angeordnet sind. Die jeweiligen Wickelachsen der Wicklungssegmente verlaufen längs des jeweiligen Transformatorschenkels, von dem sie durchgriffen werden.
In der Fig. ist außerdem ein trapezähnlicher Querschnitt der jeweiligen Sekundärwicklung 121 - 126 ersichtlich. Dieser dient insbesondere dazu, den inneren Bereich des hexagonalen Transformatorkerns 102, also den Bereich zwischen gedachter dritter Mittelachse 104 und der Erstreckung des Kernmaterials des Transformatorkernes 102, besser ausfüllen zu können. Eine derartige Wicklung mit trapezförmigem Querschnitt ist entweder unter Verwendung eines Rundleiters oder aber auch unter Verwendung eines verformten Flachbandleiters herstellbar.
Das erste Wicklungssegment weist an der Grenzfläche Primär - zu Sekundärwicklung eine erste Breite 121 auf und weiter radial außen eine geringere zweite Breite 130.
Bezuqszeichenliste
Beispiel für einen dreieckigen Transformatorkernteil Erste gedachte Mittelachse Erstes Blechende Bandförmiges Blech Zweites Blechende Beispiel für einen oktagonalen Transformatorkern Erster Verbindungsbereich Zweiter Verbindungsbereich Dritter Verbindungsbereich Vierter Verbindungsbereich Erster Überlappungsbereich des vierten Verbindungsbereiches Zweiter Überlappungsbereich des vierten Verbindungsbereiches Erster Kernabschnitt Zweiter Kernabschnitt Dritter Kernabschnitt Vierter Kernabschnitt Zweite gedachte Mittelachse Kernquerschnitt Erster Blechlagenbereich Zweiter Blechlagenbereich Dritter Blechlagenbereich Vierter Blechlagenbereich Fünfter Blechlagenbereich Sechster Blechlagenbereich Siebter Blechlagenbereich Achter Blechlagenbereich -1 Erstes Blech -2 Zweites Blech -3 Drittes Blech -4 Viertes Blech -5 Fünftes Blech 100 Beispiel für einen Transformator mit hexagonalem Transformatorkern
102 Hexagonaler Transformatorkern
104 Dritte gedachte Mittelachse
111 Primärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
112 Primärwicklung des zweiten Wicklungssegmentes
113 . Primärwicklung des dritten Wicklungssegmentes
114 Primärwicklung des vierten Wicklungssegmentes
115 Primärwicklung des fünften Wicklungssegmentes
116 Primärwicklung des sechsten Wicklungssegmentes
121 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
122 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
123 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
124 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
125 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes
126 Sekundärwicklung des ersten Wicklungssegmentes 130 Erste Breite des ersten Wicklungssegmentes
132 Zweite Breite des ersten Wicklungssegmentes

Claims

Patentansprüche
1. Transformatorkern (101 20, 102) für einen Leistungstransformator (100), wobei sich der Transformatorkern (10, 20, 102) in Form einer geschlossenen Torus- ähnlichen Struktur um eine Mittelachse (14, 35, 104) erstreckt und aus einer Vielzahl aneinandergrenzender Lagen Blech (17, 48-1 , 48-2, 48-3, 48-4, 48-5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der torus-förmige Transformatorkern einen polygonalen Grundriss mit drei beziehungsweise fünf oder mehr Ecken sowie jeweils einer gleichen Anzahl an Transformatorschenkeln aufweist.
2. Transformatorkern (10, 20, 102) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kernquerschnitt (40) zumindest abschnittsweise an eine Ellipse oder einen Kreis angenähert ist.
3. Transformatorkern (10, 20, 102) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der polygonale Grundriss als regelmäßiges Polygon mit 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12 Ecken vorgesehen ist.
4. Transformatorkern (10, 20, 102) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest ein Blech (17) aufweist, welches sich wenigstens einmal entlang der gesamten Torus-ähnlichen Struktur in einem Winkel von wenigstens 360° um die Mittelachse (14, 35, 104) erstreckt.
5. Transformatorkern (10, 20, 102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern aus wenigstens zwei miteinander verbindbaren Kernabschnitten (31 , 32, 33, 34) zusammengefügt ist.
6. Transformatorkern (10, 20, 102) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernabschnitt (31 , 32, 33, 34) bei einem gradzahligen polygonalen Grundriss genau zwei Transformatorschenkel aufweist.
7. Transformatorkern (10, 20, 102) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Kernabschnitte (31 , 32, 33, 34) mittels Überlappung/Verzahnung (25, 26) einzelner Blechlagen (48-1 , 48-2, 48- 3, 48-4, 48-5) und/oder Blechlagenbereiche (41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) vorgesehen ist.
8. Transformatorkern (10, 20, 102) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Transformatorschenkel wenigstens ein radial um eine jeweilige Winkelachse gewickeltes Wicklungssegment (111 , 112, 113, 114, 115, 116, 121, 122, 123, 124, 125, 126) aufnimmt, dessen radial innerer Bereich von dem jeweiligen Transformatorschenkel durchgriffen ist, wobei die Breite (130, 132) eines jeweiligen Wicklungssegmentes (111 , 112, 113, 114, 115, 116, 122, 123, 124, 125, 126) der jeweiligen räumlichen Ausdehnung entlang seiner Wickelachse entspricht.
9. Transformatorkern (10, 20, 102) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite (130, 132) eines jeweiligen Wicklungssegmentes (111 , 112, 113, 114, 115, 116, 121 , 122, 123, 124, 125, 126) zumindest abschnittsweise in Richtung zur Mittelachse (14, 35, 104) des Transformatorkernes (10, 20, 102) verjüngt.
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