WO2010133286A2 - Transformatorkern - Google Patents

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WO2010133286A2
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transformer
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core according
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Michael Luckey
Wolfgang Mönig
Benjamin Weber
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    • H01F27/26—Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
    • H01F27/263—Fastening parts of the core together

Definitions

  • the invention relates to a transformer core for a power transformer and a power transformer with such a transformer core.
  • transformers are used to power transfer the power supply by voltage adjustment from a first voltage level to a second one.
  • power transformers in dry construction so-called dry-type transformers, are increasingly being used.
  • the structure of a power transformer in dry construction is very similar to that of the power transformer with oil filling, as well as power transformer in dry construction, the respective winding body are applied to cores made of ferromagnetic material, which are connected at both ends with yokes and form a magnetic circuit.
  • Ohmic losses occur in the windings of a loaded transformer due to the winding currents and eddy currents in the conductor material. These ohmic losses are superimposed by no-load losses and possibly short-circuit losses and hysteresis losses.
  • the no-load losses are mainly determined by the induction and nature of the core and are approximately independent of the operating temperature of the transformer.
  • the short-circuit losses are temperature-dependent and increase at constant load with the temperature or the resistivity of the conductor material.
  • core materials with a very narrow hysteresis loop are used.
  • amorphous core material is used in place of grain-oriented core material in recent times.
  • amorphous materials require new constructions and processing because, on the one hand, because of the lower flux density compared to a conventional transformer core, larger core cross-sections are required and, on the other hand, an amorphous core material is more sensitive to higher temperatures than a grain-oriented core sheet.
  • amorphous material which is usually available as a flat strip material, is mechanically very sensitive, which is why the available widths of the strip material are limited, for example to 200 mm.
  • the mechanically realizable sizes of a transformer core are thus limited.
  • the achievable ratings of amorphous core transformers have therefore been limited since then, for example, to 1 MVA, while conventional core dry type transformers have power ratings up to and over 20MVA.
  • an object of the invention to provide a transformer core of amorphous material, which increases the achievable since then nominal power of a power transformer with amorphous core.
  • the object of the invention is also to provide a corresponding power transformer.
  • transformer core of the type mentioned in the introduction. This is characterized by the fact that it has at least two mutually parallel and at least approximately congruent mutually adjacent transformer core disks with an at least similar plan view, that at least one passage opening is provided in the plan view in each case Transformer core disks at least predominantly of an amorphous ferromagnetic consist of magnetic material and that at least one cooling channel is disposed between the transformer core.
  • the at least one passage opening serves as a winding window for one or more transformer windings to be arranged later.
  • a transformer core disk preferably extends perpendicular to its ground plan into a certain height. The height is limited by the mechanically achievable size and is for example 15cm to 25cm or even higher. If transformer core sizes are too large, even the dead weight of the core could lead to a risk of breakage due to the mechanical sensitivity of the amorphous ferromagnetic core material. In addition, the problem of core heating during operation of the power transformer becomes more critical with increasing height or thickness of the transformer core disk.
  • Similar floor plans do not necessarily mean an identity of the floor plans. Rather, it is also conceivable, for example, in the arrangement of three transformer core plates, to provide the two outer discs with a slightly larger passage opening and a slightly smaller outer floor plan than the middle disc.
  • each core disk is to be manufactured separately and, after production, forms a mechanically at least stabilized unit, which as such can also be transported and combined with other components to form a larger transformer core.
  • An arrangement of a plurality of such transformer core disks with cooling channels therebetween increases the cooling surface for the transformer core assembled in this way, so that excessive heating of the temperature-sensitive core material can also be counteracted.
  • transformer core disks and cooling channels therebetween thus advantageously allows the construction and Operation of a significantly increased in its size transformer core of amorphous ferromagnetic material.
  • a plurality of cooling channels extend along the entire floor plan.
  • the available cooling surface is exploited here in high degree and thus allows a correspondingly high cooling effect. It is both natural cooling, so for example, a flow through the cooling channels with ambient air, which passes through lower inlet openings in the cooling channels and in the heated state escapes again at the upper outlet openings, as well as forced cooling possible.
  • the amorphous ferromagnetic material is band-shaped and arranged in several adjacent layers transversely to the plan around the at least one passage opening, so that a thickness of a transformer core results from a width of the band-shaped material.
  • Ribbon-shaped amorphous core material is well transportable on rolls despite its mechanical sensitivity and also allows a flexible manufacturing process of a transformer core or a transformer core.
  • the band material is applied in ring-like layers around the at least one passage opening.
  • One layer comprises an angle of, for example, 360 °, with which a metal sheet encloses exactly the at least one through opening.
  • An adjacent layer is then formed by another sheet.
  • 360 ° are particularly advantageous in that, in the case of a hanging assembly of a transformer core or a transformer core disk, the mechanically sensitive metal sheet, which has a thickness of 15-50 ⁇ m, for example, can be hung over the upper edge of the core to be manufactured or via a holding device. On the sides, the sheet is then dependent on gravity down and can then be combined with the greatest possible avoidance of mechanical stress at the lower edge of the transformer core to be manufactured at its two ends.
  • a metal sheet in the respective outer layers preferably encloses all passage openings so as to ensure increased mechanical stability of the manufactured transformer core.
  • the plan view of the at least two transformer core disks is approximately rectangular in each case and the respective at least one through opening likewise forms so that at least two transformer core legs and at least two transformer core yokes are formed.
  • the term rectangular is to be interpreted such that in each case the material-related bending radii of the strip material are taken into account, for example 100mm - 300mm and over, so that in general no sharp edges are formed.
  • This shape corresponds approximately to the shape of a conventional transformer core and allows a simplified arrangement of windings on the transformer legs thus formed.
  • a preferred form includes two rectangular passage openings or winding windows, so that three legs are formed, which allow the use of the transformer core for a three-phase power transformer.
  • At least two transformer core disks can be opened and closed in layers on at least one leg and / or yoke, so that in the opened state, a cylindrical hollow body can be pushed over at least one leg, which is then penetrated by the leg.
  • Such a possibility of layer-wise opening consists, for example, in that the transformer core is arranged hanging vertically and the sheets forming the transformer core or the transformer core disks are in each case joined together in the part then located at the bottom. After opening, the respective sheets, which previously formed the lower yoke, each hang as an extension of the respective transformer leg down and it is from below a cylindrical hollow body, in particular a winding, pushed.
  • the at least one cooling channel is at least partially formed by spacer elements which space the transformer core disks. This type of cooling channel avoids additional thermal resistance between the cooling medium, such as air, and the adjacent transformer core disks,
  • the at least one cooling channel is at least partially formed from at least one hollow element. This is advantageous if, for example, a liquid is used as the cooling medium. In this case, the core surface is protected from direct contact with the cooling medium and a closed coolant circuit can be formed.
  • the at least one cooling channel consists at least predominantly of an electrically insulating material, for example a resin-impregnated hard fiber material.
  • a common supply line connection and / or a common discharge connection is provided for a cooling medium flowing through the at least one cooling channel, which proves to be advantageous in particular in forced cooling with a liquid cooling medium.
  • the transformer core is also arranged in a hanging manner with a vertically oriented ground plan during operation. The mechanical loads on the transformer core are thereby further reduced.
  • At least one electrical winding arranged about a winding axis is arranged on a limb of the transformer core, wherein the winding is penetrated by the limb along its winding axis.
  • a power transformer with a transformer core of the type described above.
  • This is a three-phase transformer with at least three primary and three secondary windings.
  • FIG. 1 shows an exemplary first transformer core disk in a three-dimensional view
  • FIG. 2 shows an exemplary second transformer core disk with spacer elements in a plan view
  • Fig. 3 shows an exemplary transformer core in a side view
  • FIG. 4 shows a transformer core leg with electrical winding in a sectional view.
  • FIG. 1 shows an exemplary first transformer core disk 10 in a three-dimensional view, the orientation of the three-dimensional coordinates being indicated by the coordinate system 42.
  • the transformer core disk 10 has a rectangular plan in the z-direction 44 and two rectangular passage openings 12, 14 perpendicular to the plan in the y-direction, which serve as a winding window.
  • the transformer core disk 10 is formed from a plurality of layers 16, 18, 20, 22, 24 of a band-shaped amorphous ferromagnetic material, the actual number of layers being unequally higher than the five layers indicated here, for example due to their small thickness of approximately 15-50 ⁇ m several thousand.
  • the edges of the plan are not formed as angular, as indicated in the figure, but for example with a radius of 100mm - 300mm.
  • Each layer is formed in this example exactly by a circumferential sheet having a width designated by the reference numeral 36, the two ends are joined together in the representation in the lower yoke region of the transformer core.
  • the transformer core is required to open again, for example, to push in a further production step, a winding from below over the then accessible transformer core plate legs ,
  • the respectively indicated three inner layers of strip material 16, 18, 20 each enclose one of the two passage openings or winding windows 12, 14.
  • the two indicated outer layers 22, 24 enclose both passage openings 12, 14 with the respective inner layers 16, 18, 20. This is particularly useful for reasons of mechanical stability of the transformer core 10, which is shown hanging on the two hangers 38, 40.
  • the hanging arrangement is particularly advantageous during production but also during later operation, because the mechanical load for the transformer core or the transformer core disk 10 is thus reduced.
  • FIG. 2 shows an exemplary second transformer core disk 52 with spacer elements in a plan view 50.
  • the plan view of the second transformer core disk 52 is also rectangular in this figure and has two likewise rectangular through openings 54, 56 which serve as a winding window.
  • three transformer core legs 58, 60, 62 are pronounced, which are connected at their two ends in each case via a yoke 66, 68.
  • FIG. 3 shows an exemplary transformer core 70 in a side view, wherein the latter is formed from the second transformer core disk 52 already shown in FIG. 2 with the associated spacer elements and a structurally identical third transformer core disk 72.
  • Such an assembly of the transformer core or the transformer core plate forming sheets is possible for example by a layer-wise gearing and wrapping the legs or yokes formed with a suitable band-shaped fastening material.
  • FIG. 4 shows a transformer core leg with electrical winding in a sectional view 100.
  • the transformer core leg is formed by the three transformer core disk shanks 102, 104, 106 and the hollow elements 108 and 110 arranged therebetween whose inner region forms the cooling channels 112 and 114.
  • Such hollow elements are particularly useful when using a different cooling medium than the ambient air, because in such a case, preferably, a closed circuit of the cooling medium is to be formed.
  • the width and height of the leg cross sections of the transformer core disks are selected such that an ellipse-like cross section of the transformer core leg results, which corresponds to the high-cylindrical inner cross section of the winding 116.
  • the cooling effect is homogenized over the entire leg cross-section, because the outer transformer core disks 102, 106 adjoining only one cooling channel 112, 114 are thinner than the central transformer core disk 104 surrounded by cooling channels 112, 114 on both sides.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern (70) für einen Leistungstransformator, welcher wenigstens zwei parallel und zumindest annährend kongruent benachbart zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist. In dem Grundriss ist wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung (12, 14, 54, 56) vorgesehen. Die Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) bestehen zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromagnetischen Material. Zwischen den Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) ist wenigstens ein Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) angeordnet. Die Erfindung betrifft auch einen Leistungstransformator mit einem derartigen Transformatorkern.

Description

Transformatorkern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern für einen Leistungstransformator und einen Leistungstransformator mit einem derartigen Transformatorkern.
Es ist allgemein bekannt, dass Transformatoren zur Leistungsübertragung bei der Energieversorgung durch Spannungsanpassung von einem ersten Spannungsniveau auf ein zweites dienen. Anstelle von früher verbreitet eingesetzten Leistungstransformatoren mit Ölfüllung werden in zunehmendem Maße Leistungstransformatoren in Trockenbauweise, so genannte Trockentransformatoren, eingesetzt.
Dabei ist der Aufbau eines Leistungstransformator in Trockenbauweise dem des Leistungstransformator mit Ölfüllung insoweit sehr ähnlich, als auch bei Leistungstransformator in Trockenbauweise die jeweiligen Wicklungskörper auf Kernen aus ferromagnetischem Material aufgebracht sind, die jeweils an beiden Enden mit Jochen verbunden sind und einen magnetischen Kreis bilden.
Allerdings wird bei den Trockentransformatoren die Verlustwärme, welche bei Leistungstransformatoren mit Ölfüllung vom Öl aufgenommen und über geeignete Kühlflächen oder separate Kühler abgegeben wurde, durch Luftkonvektion abgeführt. Die geringere spezifische Wärmekapazität der Luft gegenüber Öl bedeutet schlechthin eine Leistungsbegrenzung für Trockentransformatoren.
In den Wicklungen eines belasteten Transformators treten ohmsche Verluste durch die Wicklungsströme und durch Wirbelströme im Leitermaterial auf. Diese ohmschen Verluste werden überlagert von Leerlaufverlusten und gegebenenfalls Kurzschlussverlusten sowie Hystereseverlusten. Die Leerlaufverluste sind hauptsächlich durch die Induktion und die Beschaffenheit des Kerns bestimmt und näherungsweise unabhängig von der Betriebstemperatur des Transformators. Die Kurzschlussverluste sind temperaturabhängig und steigen bei konstanter Belastung mit der Temperatur bzw. dem spezifischen Widerstand des Leitermaterials an. Um die Hystereseverluste möglichst klein zu halten, kommen bevorzugt Kernmaterialien mit sehr schmaler Hystereseschleife zum Einsatz.
Um die hierdurch verursachten Wärmeverluste eines Trockentransformators zu verringern und so dessen Belastbarkeit zu verbessern, wird in neuerer Zeit bevorzugt amorphes Kernmaterial statt kornorientierten Kernmaterials eingesetzt.
Allerdings erfordert die Verwendung von amorphen Werkstoffen neue Konstruktionen und Verarbeitungsweisen, da einerseits aufgrund der im Vergleich zu einem konventionellen Transformatorkern geringeren Flussdichte größere Kernquerschnitte notwendig sind und andererseits ein amorphes Kernmaterial empfindlicher gegenüber höheren Temperaturen ist als bei einem kornorientierten Kernblech.
Zudem ist das zumeist als Flachbandmaterial lieferbare amorphe Material mechanisch sehr empfindlich, weshalb auch die lieferbaren Breiten des Bandmaterials begrenzt sind, beispielsweise auf 200mm. Auch die mechanisch realisierbaren Baugrößen eines Transformatorkerns sind somit beschränkt. Die erzielbaren Nennleistungen von Transformatoren mit einem Kern aus amorphem Werkstoff sind daher seither begrenzt, beispielsweise auf 1 MVA, während Trockentransformatoren mit konventionellem Kern Leistungswerte von bis zu 20MVA und drüber aufweisen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen Transformatorkern aus amorphem Material anzugeben, welcher die seither erzielbaren Nennleistungen eines Leistungstransformators mit amorphem Kern erhöht. Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen entsprechenden Leistungstransformator anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Transformatorkern der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens zwei parallel und zumindest annährend kongruent benachbart zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist, dass in dem Grundriss wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung vorgesehen ist, dass die Transformatorkernscheiben zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromag- netischem Material bestehen und dass zwischen den Transformatorkernscheiben wenigstens ein Kühlkanal angeordnet ist.
Die wenigstens eine Durchgangsöffnung dient als Wickelfenster für eine oder mehre- re später anzuordnende Transformatorwicklungen. Eine Transformatorskernscheibe erstreckt sich hierbei vorzugsweise senkrecht zu ihrem Grundriss in eine bestimmte Höhe. Die Höhe ist begrenzt von der mechanisch erzielbaren Baugröße und beträgt beispielsweise 15cm bis 25cm oder auch darüber. Bei zu großen Transformatorkerngrößen könnte bereits das Eigengewicht des Kernes aufgrund der mechanischen Empfindlichkeit des amorphen ferromagnetischen Kernmaterials zu einer Bruchgefahr führen. Zudem wird das Problem der Kernerwärmung bei Betrieb des Leistungstransformators mit zunehmender Höhe bzw. Dicke der Transformatorkernscheibe kritischer.
Ähnliche Grundrisse bedeuten hierbei nicht zwangsläufig eine Identität der Grundrisse. Vielmehr ist es auch denkbar, beispielsweise bei der Anordnung von drei Transformatorkernscheiben, die beiden äußeren Scheiben mit einer etwas größeren Durchgangsöffnung und einem etwas kleineren Aussengrundriss zu versehen als die mittlere Scheibe.
Aufgrund der modularen Aufteilung des Transformatorkerns in mehrere Transformatorkernscheiben ist jede Kernscheibe separat zu fertigen und bildet nach der Fertigung eine mechanisch zumindest stabilisierte Einheit, welche als solche auch transportierbar und mit weiteren Komponenten zu einem größeren Transformatorkern zusammenfügbar ist.
Eine Anordnung von mehreren derartigen Transformatorkernscheiben mit dazwischen liegenden Kühlkanälen erhöht die Kühlfläche für den so zusammengefügten Transformatorkern, so dass auch einer zu starken Erwärmung des temperaturempfindlichen Kernmaterials entgegen gewirkt werden kann.
Die Kombination aus modularer Anordnung von Transformatorkernscheiben und dazwischen liegenden Kühlkanälen ermöglicht somit in vorteilhafter Weise den Bau und Betrieb eines in seiner Größe deutlich gesteigerten Transformatorkerns aus amorphem ferromagnetischem Material.
In bevorzugter Weise erstrecken sich mehrere Kühlkanäle längs des gesamten Grundrisses. Die zur Verfügung stehende Kühlfläche wird hierbei in hohem Unfang ausgenutzt und somit ein entsprechend hoher Kühleffekt ermöglicht. Es ist sowohl natürliche Kühlung, also beispielsweise ein Durchströmen der Kühlkanäle mit Umgebungsluft, welche durch untere Einlassöffnungen in die Kühlkanäle gelangt und in erwärmten Zustand an oberen Auslassöffnungen wieder entweicht, als auch forcierte Kühlung möglich.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung ist das amorphe ferromagnetische Material bandförmig ausgeprägt und in mehreren benachbarten Lagen quer zum Grundriss um die wenigstens eine Durchgangsöffnung verlaufend angeordnet, so dass sich eine Dicke einer Transformatorkernscheibe aus einer Breite des bandförmigen Materials ergibt.
Bandförmig ausgeprägtes amorphes Kernmaterial ist trotz seiner mechanischen Empfindlichkeit gut auf Rollen transportierbar und ermöglicht zudem einen flexiblen Herstellungsprozess eines Transformatorkerns bzw. einer Transformatorkernscheibe. Bevorzugter Weise wird das Bandmaterial in ringähnlichen Lagen um die wenigstens eine Durchgangsöffnung angebracht. Eine Lage umfasst einen Winkel von beispielsweise 360° womit ein Blech genau die wenigstens eine Durchgangsöffnung umschließt. Eine benachbarte Lage wird dann von einem weiteren Blech gebildet.
360° sind insofern besonders vorteilhaft, als bei einer hängenden Montage eines Transformatorkerns bzw. einer Transformatorkernscheibe das mechanisch empfindliches Blech, welches beispielsweise eine Dicke von 15 - 50μm aufweist, über die obere Kante des zu fertigenden Kerns bzw. über eine Haltevorrichtung gehängt werden kann. An den Seiten hängt das Blech dann jeweils schwerkraftbedingt herunter und kann dann unter weitestgehender Vermeidung einer mechanischen Beanspruchung an der unteren Kante des zu fertigenden Transformatorkernes an seinen beiden Enden zusammengefügt werden. Bei Vorhandensein von mehreren Durchgangsöffnungen bzw. Wickelfenstern umschließt ein Blech in den jeweils äußeren Lagen vorzugsweise alle Durchgangsöffnungen um so eine erhöhte mechanische Stabilität des gefertigten Transformatorkerns zu gewährleisten.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfinduhgsgemäßen Transformatorkerns ist der Grundriss der wenigstens zwei Transformatorkernscheiben jeweils annähernd rechteckförmig und die jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung ebenfalls, so dass wenigstens zwei Transformatorkernschenkel und wenigstens zwei Transformatorkernjoche gebildet sind. Der Begriff rechteckförmig ist derart zu interpretieren, dass in jedem Fall die materialbedingten Biegeradien des Bandmaterials zu berücksichtigt sind, beispielsweise 100mm - 300mm und drüber, so dass in der Regel keine scharfen Kanten ausgebildet sind.
Diese Form entspricht in etwa der Form eines konventionellen Transformatorkerns und ermöglicht eine vereinfachte Anordnung von Wicklungen auf den so gebildeten Transformatorschenkeln. Eine bevorzugte Form beinhaltet hierbei zwei rechteckför- mige Durchgangsöffnungen bzw. Wickelfenster, so dass drei Schenkel gebildet sind, welche die Verwendung des Transformatorkerns für einen dreiphasigen Leistungstransformator ermöglichen.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Transformatorkerns sind wenigstens zwei Transformatorkernscheiben jeweils an wenigstens einem Schenkel und/oder Joch lagenweise offen- und schließbar, so dass in geöffnetem Zustand über wenigstens einen Schenkel ein zylindrischer Hohlkörper schiebbar ist, welcher dann von dem Schenkel durchgriffen ist.
Eine derartige Möglichkeit der lagenweisen Öffnung besteht beispielsweise darin, dass der Transformatorkern hängend senkrecht angeordnet ist und die den Transformatorkern bzw. die Transformatorkernscheiben bildenden Bleche jeweils in dem dann unten befindlichen Teil zusammengefügt sind. Nach Öffnung hängen die jeweiligen Bleche, welche zuvor das untere Joch bildeten, jeweils als Verlängerung der jeweiligen Transformatorschenkel nach unten und es ist von unten her ein zylindrischer Hohlkörper, insbesondere eine Wicklung, aufschiebbar. In vorteilhafter Weise ist der wenigstens eine Kühlkanal zumindest teilweise aus Distanzelementen gebildet, welche die Transformatorkernscheiben beabstanden. Diese Art eines Kühlkanals vermeidet einen zusätzlichen Wärmewiderstand zwischen dem Kühlmedium, beispielsweise Luft, und den angrenzenden Transformatorkernscheiben,
Alternativ ist der wenigstens eine Kühlkanal zumindest teilweise aus wenigstens einem Hohlelement gebildet. Dies ist von Vorteil, wenn als Kühlmedium beispielsweise eine Flüssigkeit verwendet ist. In diesem Fall ist die Kernoberfläche vor einem direkten Kontakt mit dem Kühlmedium geschützt und es kann ein geschlossener Kühlmittelkreislauf gebildet werden.
In einer erfindungsgemäßen Variante des Transformatorkerns besteht der wenigstens eine Kühlkanal zumindest überwiegend aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem harzgetränkten Hartfaserstoff.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein gemeinsamer Zuleitungsan- schluss und/oder eine gemeinsamer Ableitungsanschluss für ein den wenigstens einen Kühlkanal durchströmendes Kühlmedium vorgesehen, was sich insbesondere bei forcierter Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium als vorteilhaft erweist.
In einer bevorzugten Erfindungsvariante ist der Transformatorkern auch im Betrieb hängend bei senkrecht ausgerichtetem Grundriss angeordnet. Die mechanischen Belastungen für den Transformatorkern werden hierdurch weiter verringert.
Entsprechend einer weiteren Variante des Transformatorkerns ist wenigstens eine um eine Wickelachse angeordnete elektrische Wicklung auf einem Schenkel des Transformatorkerns angeordnet, wobei die Wicklung längs ihrer Wickelachse von dem Schenkel durchgriffen ist. Dies entspricht einer typischen Wicklungsanordnung auf konventionellen Transformatorkernen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Leistungstransformator mit einem Transformatorkern der zuvor beschriebenen Art. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dies ein Drehstromtransformator mit jeweils wenigstens drei Primär- und drei Sekundärwicklungen. Die zuvor beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Transformatorkerns sind entsprechend auch auf einen derartigen Transformator übertragbar.
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 eine exemplarische erste Transformatorkernscheibe in dreidimensionaler Ansicht,
Fig. 2 eine exemplarische zweite Transformatorkernscheibe mit Distanzelementen in einer Draufsicht,
Fig. 3 einen exemplarischer Transformatorkern in einer Seitenansicht und
Fig. 4 einen Transformatorkernschenkel mit elektrischer Wicklung in einer Schnittansicht.
Fig. 1 zeigt eine exemplarische erste Transformatorkernscheibe 10 in einer dreidimensionalen Ansicht, wobei die Ausrichtung der dreidimensionalen Koordinaten durch das Koordinatensystem 42 angedeutet ist. Die Transformatorkernscheibe 10 weist einen rechteckförmigen Grundriss in z-Ausrichtung 44 sowie zwei rechteckför- mige Durchgangsöffnungen 12, 14 senkrecht zum Grundriss in y-Richtung auf, welche als Wickelfenster dienen. Die Transformatorkernscheibe 10 ist aus mehreren Lagen 16, 18, 20, 22, 24 eines bandförmigen amorphen ferromagnetischen Materials gebildet, wobei die reale Anzahl an Lagen aufgrund ihrer geringen Dicke von ca. 15 - 50μm ungleich höher ist als die hier angedeuteten fünf Lagen, beispielsweise mehrere tausend. Zu beachten ist in der Darstellung, dass aufgrund eines einzuhaltenden Mindestbiegeradius der Bleche die Kanten des Grundrisses nicht so eckig ausgeformt sind, wie in der Fig. angedeutet, sondern beispielsweise mit einem Radius von 100mm - 300mm. Jede Lage ist in diesem Beispiel genau durch ein umlaufendes Blech mit einer mit der Bezugsziffer 36 bezeichneten Breite gebildet, dessen beiden Enden in der Darstellung im unteren Jochbereich der Transformatorkernscheibe zusammengefügt sind. An eben diesen Stellen, welche in der Fig. als Öffnungsstellen 26, 28, 30, 32, 34 angedeutet sind, ist die Transformatorkernscheibe bedarfsweise auch wieder zu öffnen, beispielsweise um in einem weiteren Produktionsschritt eine Wicklung von unten über die dann zugänglichen Transformatorkernscheibenschenkel zu schieben.
Die jeweils angedeuteten drei inneren Lagen Bandmaterial 16, 18, 20 umschließen jeweils eine der beiden Durchgangsöffnungen bzw. Wickelfenster 12, 14. Die beiden angedeuteten äußeren Lagen 22, 24 umschließen beide Durchgangsöffnungen 12, 14 mit den jeweils inneren Lagen 16, 18, 20. Dies ist insbesondere aus Gründen der mechanischen Stabilität der Transformatorkernscheibe 10 sinnvoll, welche auf den beiden Hängevorrichtungen 38, 40 hängend dargestellt ist. Die hängende Anordnung ist insbesondere bei der Fertigung aber auch im späteren Betrieb vorteilhaft, weil die mechanische Belastung für den Transformatorkern bzw. die Transformatorkernscheibe 10 so reduziert ist.
Fig. 2 zeigt eine exemplarische zweite Transformatorkernscheibe 52 mit Distanzelementen in einer Draufsicht 50. Der Grundriss der zweiten Transformatorkernscheibe 52 ist auch in dieser Fig. rechteckförmig ausgeprägt und weist zwei ebenfalls recht- eckförmige Durchgangsöffnungen 54, 56 auf, welche als Wickelfenster dienen. Somit sind drei Transformatorkernschenkel 58, 60, 62 ausgeprägt, welche an ihren beiden Enden jeweils über ein Joch 66, 68 verbunden sind.
Auf der zweiten Transformatorkernscheibe 52 angeordnet sind quaderähnliche Distanzelemente angedeutet, welche als schwarz ausgefüllte Rechtecke gezeichnet sind. Zwischen diesen Distanzelementen ergeben sich Kühlkanäle, deren Höhe der vorzugsweise einheitlichen Höhe der Distanzelemente entspricht. In einer realen Anordnung ist der entsprechende Transformatorkern stehend angeordnet, so dass sich bei natürlicher Kühlung eine Durchströmung der Kühlkanäle, von denen einer exemplarisch mit der Bezugsnummer 64 angedeutet ist, mit Luft von unten nach oben ergibt, wie mit den Pfeilen angedeutet. Fig. 3 zeigt einen exemplarischer Transformatorkern 70 in einer Seitenansicht, wobei dieser aus der bereits in Fig. 2 gezeigten zweiten Transformatorkernscheibe 52 mit den zugehörigen Distanzelementen sowie einer baugleichen dritten Transformator- kemscheibe 72 gebildet ist. In dieser Schnittdarstellung sichtbar und mit einer Bezugsnummer versehen sind die Kühlkanäle 88, 90, 92, 94, 96 und der bereits in Fig. 2 gekennzeichnete erste Kühlkanal 64, welche zwischen den Distanzelementen 80, 82, 84, 86 und den weiteren nicht gekennzeichneten Distanzelementen gebildet sind. Ebenfalls sichtbar sind die Öffnungsstellen 76 und 78 der beiden Transformatorkernscheiben, an welchen die umlaufenden Aussenbleche zusammengefügt sind.
Ein derartiges Zusammenfügen der den Transformatorkern bzw. die Transformatorkernscheibe bildenden Bleche ist beispielsweise durch eine lagenweise Verzahnung und ein Umwickeln der gebildeten Schenkel bzw. Joche mit einem geeigneten bandförmigen Befestigungsmaterial möglich.
Fig. 4 zeigt einen Transformatorkernschenkel mit elektrischer Wicklung in einer Schnittansicht 100. Der Transformatorkernschenkel ist gebildet durch die drei Trans- formatorkernscheibenschenkel 102, 104, 106 sowie die dazwischen angeordneten Hohlelemente 108 und 110 deren innerer Bereich die Kühlkanäle 112 und 114 bildet. Derartige Hohlelemente sind insbesondere bei Verwendung eines anderen Kühlmediums als die Umgebungsluft sinnvoll, weil in einem solchen Fall vorzugsweise ein geschlossener Kreislauf des Kühlmediums zu bilden ist. Die Breite und Höhe der Schenkelquerschnitte der Transformatorkernscheiben sind derart gewählt, dass sich ein ellipsenähnlicher Querschnitt des Transformatorkernschenkels ergibt, welche mit dem hohzylindrischen Innenquerschnitt der Wicklung 116 korrespondiert. Zudem ist der Kühleffekt über den gesamten Schenkelquerschnitt homogenisiert, weil die lediglich einseitig an einen Kühlkanal 112 bzw. 114 angrenzenden äußeren Transformatorkernscheiben 102, 106 dünner sind als die beidseitig von Kühlkanälen 112, 114 umgebene mittlere Transformatorkernscheibe 104. Bezuqszeichenliste
exemplarische erste Transformatorkernscheibe erste Durchgangsöffnung zweite Durchgangsöffnung erste Lage des bandförmigen Materials zweite Lage des bandförmigen Materials dritte Lage des bandförmigen Materials vierte Lage des bandförmigen Materials fünfte Lage des bandförmigen Materials erste Öffnungsstelle zweite Öffnungsstelle dritte Öffnungsstelle vierte Öffnungsstelle fünfte Öffnungsstelle Breite des bandförmigen Materials erste Hängevorrichtung zweite Hängevorrichtung Koordinatensystem senkrechte Ausrichtung exemplarische zweite Transformatorkernscheibe mit Distanzelementen zweite Transformatorkernscheibe dritte Durchgangsöffnung vierte Durchgangsöffnung erster Transformatorkernschenkel zweiter Transformatorkernschenkel dritter Transformatorkernschenkel erster Kühlkanal erstes Joch zweites Joch exemplarischer Transformatorkern dritte Transformatorkernscheibe sechste Öffnungsstelle 78 siebte Öffnungsstelle
80 erstes Distanzelement
82 zweites Distanzelement
84 drittes Distanzelement
86 viertes Distanzelement
88 zweiter Kϋhlkanal
90 dritter Kühlkanal
92 vierter Kühlkanal
94 fünfter Kühlkanal
96 sechster Kühlkanal
100 Transformatorkernschenkel mit elektrischer Wicklung
102 vierte Transformatorkernscheibe
104 fünfte Transformatorkernscheibe
106 sechste Transformatorkernscheibe
108 erstes Hohlelement
110 zweites Hohlelement
112 siebter Kühlkanal
114 achter Kühlkanal
116 elektrische Wicklung in Form eines zylindrischen Hohlkörpers

Claims

Patentansprüche
1. Transformatorkern (70) für einen Leistungstransformator, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens zwei parallel und zumindest annährend kongruent benachbart zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist, dass in dem Grundriss wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung (12, 14, 54, 56) vorgesehen ist, dass die Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromagnetischem Material bestehen und dass zwischen den Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) wenigstens ein Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) angeordnet ist.
2. Transformatorkern nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlkanäle (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) längs des gesamten Grundrisses angeordnet sind.
3. Transformatorkern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe ferromagnetische Material bandförmig ausgeprägt und in mehreren benachbarten Lagen (16, 18, 20, 22, 24) quer zum Grundriss um die wenigstens eine Durchgangsöffnung (12, 14, 54, 56) verlaufend angeordnet ist, so dass sich eine Dicke einer Transformatorkernscheibe aus einer Breite (36) des bandförmigen Materials ergibt.
4. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss der wenigstens zwei Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) jeweils annähernd rechteckig ist und dass die jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung (12, 14, 54, 56) ebenfalls annähernd rechteckförmig ist, so dass wenigstens zwei Transformatorkernschenkel (58, 60, 62) und wenigstens zwei Transformatorkernjoche (66, 68) gebildet sind.
5. Transformatorkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Transformatorkernscheiben (10, 52, 72, 102, 104, 106) jeweils an wenigstens einem Schenkel (58, 60, 62) und/oder Joch (66, 68) lagenweise offen- und schließbar (26, 28, 30, 32, 34) sind, so dass in geöffnetem Zustand über wenigstens einen Schenkel (58, 60, 62) ein zylindrischer Hohlkörper (116) schiebbar ist, welcher dann von dem Schenkel (58, 60, 62) durchgriffen ist.
6. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) zumindest teilweise aus Distanzelementen (80, 82, 84, 86) gebildet ist, welche die Transformatorkernscheiben beabstanden.
7. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) zumindest teilweise aus wenigstens einem Hohlelement (108, 110) gebildet ist.
8. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) zumindest überwiegend aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
9. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Zuleitungsanschluss und/oder ein gemeinsamer Ablei- tungsanschluss für ein den wenigstens einen Kühlkanal (64, 88, 90, 92, 94, 96, 112, 114) durchströmendes Kühlmedium vorgesehen ist.
10. Transformatorkern nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern (70) hängend bei senkrecht (44) ausgerichtetem Grund- riss angeordnet ist.
11. Transformatorkern nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine um eine Wickelachse angeordnete elektrische Wicklung (116) auf einem Schenkel (58, 60, 62) des Transformatorkerns (70) angeordnet ist, wobei die Wicklung (116) längs ihrer Wickelachse von dem Schenkel (58, 60, 62, [102 + 104 + 106 + 108 + 110]) durchgriffen ist.
12. Leistungstransformator mit einem Transformatorkern (70) und wenigstens einer Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Leistungstransformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Drehstromtransformator mit jeweils wenigstens drei Primär- und drei Sekundärwicklungen ist.
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