WO2022017609A1 - Elektrisches gerät mit erzwungener direktkühlung - Google Patents

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WO2022017609A1
WO2022017609A1 PCT/EP2020/070850 EP2020070850W WO2022017609A1 WO 2022017609 A1 WO2022017609 A1 WO 2022017609A1 EP 2020070850 W EP2020070850 W EP 2020070850W WO 2022017609 A1 WO2022017609 A1 WO 2022017609A1
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WO
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insulating fluid
electrical device
windings
tank
core
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/070850
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English (en)
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Katharina SCHÄFER
David Weber
Viktor WINS
Christer Vogt
Aime Mbuy
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to PCT/EP2020/070850 priority patent/WO2022017609A1/de
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    • H01F27/322—Insulating of coils, windings, or parts thereof the insulation forming channels for circulation of the fluid

Definitions

  • the invention relates to an electrical device for connection to a high voltage with an active part, which has a magnetizable core and at least one winding arrangement, each of which encloses a core section of the core and has windings that are inductively coupled to one another, with cooling channels being formed in the windings.
  • a tank filled with an insulating fluid in which the active part is completely arranged, the tank having at least one insulating fluid inlet and at least one insulating fluid outlet, which are connected to one another via a circulating system arranged outside the tank, which has a cooling unit and a pump for circulating the insulating fluid has.
  • a traction transformer which has an active part and a tank in which the active part is completely arranged.
  • the active part comprises a core with two core legs, each of which is enclosed by two windings arranged concentrically to one another.
  • the tank has a central part that surrounds the outer contour of the windings in a form-complementary manner.
  • the insulating fluid placed in the boiler for insulation and cooling is circulated through a cooling system.
  • WO 2016/038222A1 discloses a traction transformer with an active part and a tank, with the core of the active part being arranged entirely outside the tank.
  • the railway transformer is attached to the rail vehicle via the core, so that no high forces are introduced into the boiler.
  • the boiler can therefore be made of a lightweight material such as plastic.
  • Railway transformers are designed to be mounted on a rail vehicle, such as a locomotive or railcar. They are used to provide a desired traction voltage for driving the locomotive or railcar depending on different input voltages.
  • Previously known railway transformers have a metallic tank which is at ground potential and is filled with an insulating fluid, for example an ester fluid.
  • the so-called active part of the transformer is arranged in the tank and comprises a core consisting of magnetizable flat sheets and at least two windings concentrically enclosing a section of the core.
  • the boiler is equipped with bushings for connecting the transformer to a high voltage.
  • the insulating fluid is circulated via a cooling system arranged outside of the boiler.
  • the previously known electrical device has the disadvantage that due to the shape-complementary structure of the tank, the windings can no longer be adequately cooled, so that the insulating fluid heats up quickly during operation and the electrical device can only be operated at low power levels.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical device of the type mentioned in which the cooling treatment of the windings is improved.
  • the invention solves this problem in that the insulating fluid inlet is connected via an insulating fluid line extending in the tank to a distribution unit which is arranged on one of the end faces of the winding arrangement and which distributes cooled insulating fluid to the cooling channels.
  • cooled insulating fluid is no longer single Lich introduced into the boiler. Rather, within the scope of the invention, the cooled insulating fluid is guided directly to the cooling channels of the windings.
  • the cooled insulating fluid line This extends between the insulating fluid inlet and the distribution unit.
  • the cooled insulating fluid is introduced into the tank of the electrical device at the insulating fluid inlet. Because of the insulating fluid line, mixing with the warmer insulating fluid in the boiler no longer occurs directly behind the insulating fluid inlet—as in the prior art. Rather, the entire cooled insulating fluid is routed directly to the distribution unit.
  • the distribution unit ensures that the cooled insulating fluid is distributed evenly over the cooling channels in the windings. In this way, cooled insulating fluid is introduced directly into the cooling channels of the windings, which improves the cooling of the windings. Due to the improved cooling, the electrical device according to the invention can be operated at higher electrical power levels, for example with higher currents.
  • the insulating fluid line is advantageously a pipeline.
  • a pipeline is easy to manufacture and is therefore available inexpensively in all variations on the market.
  • the distribution unit has a receiving unit, the front side of which faces the insulating fluid inlet and which has a through-opening designed to receive the outlet opening of the insulating fluid line, the rear side of the receiving unit being provided with at least one inner groove .
  • the insulating fluid line opens into a through-opening of the receiving unit. The cooled insulating fluid thus flows from the insulating fluid inlet to the through-opening and from there gets into the or each inner groove on the rear side of the receiving unit.
  • the inner groove or the inner grooves are used for the radial distribution of the insulating fluid.
  • the grooves are ring-shaped and connected to the through-opening.
  • the distribution unit is arranged on the end face of a winding arrangement facing the insulating fluid inlet. Due to the ring-shaped configuration, the distribution of the insulating fluid is adapted to the circular-cylindrical configuration of the windings, since the cooling channels extend through the windings in a uniformly distributed manner in the axial direction parallel to one another.
  • the distribution unit has a perforated plate lying against the rear of the receiving unit, which has through-holes and is equipped with spacers on its side facing away from the receiving unit.
  • the spacers are radially sighted and point to a common center. They are at a constant distance from one another and are distributed over the entire circumference of the perforated plate. In other words, the spacers define pie-shaped spaces.
  • the perforated plate, the spacers and an outer sealing ring delimit partial cavities, which are each connected to at least one cooling channel.
  • the insulating fluid is distributed radially through the grooves of the receiving unit and passes through the through-holes into one of the distribution cavities, which, as already stated above, resemble a piece of cake in their design.
  • Each of these distribution cavities is arranged in the axial direction of the end face of the respective winding and limited the perforated plate.
  • the spacers delimit each distribution cavity, which is therefore closed off circumferentially on the outside and inside by a ring-shaped sealing ring.
  • the spacers each extend in the radial direction, ie in the form of rays, on the rear side of the perforated plate.
  • the insulating fluid flows from the distribution cavities, which are evenly supplied with cooled insulating fluid, into the cooling channels of the windings.
  • the receiving unit and perforated plate are advantageously designed in the form of a disk. The disk-shaped design enables a compact design of the electrical device.
  • the distribution unit preferably has a circular outer contour in a plan view. In this way, the distributing unit is adapted to the shape of the winding arrangement on which the distributing unit is arranged within the scope of the invention.
  • windings of a winding arrangement are preferably arranged concentrically with one another.
  • An outer winding of the winding arrangement is designed, for example, as a primary winding for higher voltages than a secondary winding arranged further inside, or vice versa.
  • each winding arrangement can also have other windings such as, for example, an auxiliary operation winding, a step winding or the like.
  • the distribution unit is preferably made of an electrically non-conductive material. In this way, the electromagnetic properties of the electrical device according to the invention are not, or at least only slightly, influenced by the distribution unit.
  • the boiler preferably has two metallic end caps between which a central part made of an electrically non-conductive material extends.
  • the central part is designed, for example, to complement the outer contour of the windings and is made from a lightweight material.
  • a lightweight material within the meaning of the present invention is any material with a lower intrinsic weight by a factor of 2 than steel.
  • Steel has a density of 7.85-7.87 g/cm 3 .
  • Materials with a density of less than 3.9 g/cm3 are lightweight materials within the meaning of the invention. Examples of such lightweight materials are aluminum, plastics and fiber reinforced plastics.
  • the middle mainly made of glass fiber reinforced plastic with a density of 2.5 g/cm3.
  • the core has two core limbs running parallel to one another, which are each surrounded by a winding arrangement, the core limbs being connected to one another by a lower and an upper yoke. In this way, a closed circuit is formed.
  • two winding arrangements are therefore provided with, for example, a total of four windings, with two windings being arranged concentrically to one another and enclosing a common leg of the core as the core section. This is, for example, an inner low-voltage winding and a high-voltage winding enclosing the low-voltage winding.
  • the core also has a further leg, which is also enclosed by a low-voltage or high-voltage winding.
  • the two low-voltage and high-voltage windings are connected in series, for example.
  • the core limbs, which each extend through one of the two winding arrangements, are therefore aligned in parallel with one another.
  • the inner wall of the central part of the boiler follows the outer contour of the outer windings of the respective winding arrangement in its entirety.
  • each leg can also be provided within the scope of the invention, each leg being equipped with a winding arrangement which consists of two or more windings.
  • the end caps are also adapted to the active part sections that are arranged in their inner volume.
  • the tank also nestles outside of its central part, at least in its inner configuration, not only to the outer contour of the outer windings. Rather, the boiler is also complementary in shape to other sections of the active part designed, which also define the outer contour of the active part.
  • the shape-complementary adaptation of the shell to this somewhat more complex outer contour is therefore limited to forming a box-shaped envelope. By this is meant that the shell does not replicate every screw or bolt in its design, but replicates the entire section with a box-shaped and partially rounded contour. This box-shaped contour then delimits an interior space that allows the said active part sections to be accommodated in a stress-resistant manner, but at the same time limits the interior volume of the boiler to a minimum.
  • the end caps are advantageously made of a metal or a metal alloy. It is particularly preferred that the end caps are made of steel. Steel has high mechanical strength.
  • end caps are expediently designed in each case in the form of a box.
  • a box-shaped design can be done as standard.
  • An adaptation to the respective individually manufactured active part is not required in this variant of the inventions. In this way, further costs can be saved.
  • At least one end hood has a viewing window and/or a hand opening.
  • the electrical device can be easily manufactured and maintained.
  • the electrical device is preferably a railway transformer.
  • a magnetizable material is understood here to be a ferromagnetic material such as iron.
  • the core preferably forms a closed iron circuit.
  • Figure 1 shows an embodiment of the electrical device according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 shows the electrical device according to FIG. 1 without the circulation system and support frame
  • FIG. 3 shows the electrical device according to FIG. 2 with an indicated insulating fluid line
  • FIG. 6 shows the rear side of a perforated plate in a perspective view
  • FIG. 7 shows the end face of a winding arrangement in a plan view
  • FIG. 8 illustrates an exemplary embodiment of a distribution unit in a side view.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the electrical device 1 in a perspective view, the electrical device shown there is designed as a railway transformer 1.
  • the traction transformer 1 has a boiler 2, which consists of a central part 3 and two end caps 4 and 5.
  • the end caps 4 and 5 are made of steel, while the central part 3 is made of a glass fiber reinforced plastic.
  • An active part is arranged in the boiler 2, the boiler being filled with an insulating fluid.
  • the active part includes a Magnetizable iron core, which has two core legs that are connected to one another via an upper and lower yoke. Each core leg is surrounded by a winding arrangement, each winding arrangement consisting of an inner low-voltage winding and an outer high-voltage winding.
  • the winding arrangement also includes an auxiliary winding.
  • the upper, lower and auxiliary windings are arranged as an axial extension of the low-voltage winding concentrically to one another and to the core limb, which protrudes through these windings on the inside.
  • the central part 3 forms two housing tubes 6 and 7, each of which encloses one of the winding arrangements.
  • the lower and upper yokes are located in the upper 4 and lower end hood 5, respectively.
  • An input bushing 8 serves to connect the high-voltage windings, which are connected in parallel to one another, to the high-voltage contact wire.
  • the low-voltage winding is connected to cable connection sockets 9 on the output side. The desired traction voltage can be tapped off by inserting suitable cable plugs into the respective cable connection socket 9 .
  • the end hood 4 has two insulating fluid inlets 10 , whereas the end hood 5 is equipped with an insulating fluid outlet 11 .
  • a circulation system 12 can be seen that, in addition to a pump 13, includes a cooling unit 14 that is equipped with a heat exchanger for cooling the circulated insulating fluid.
  • the circulation system 12 also has pipelines 15. With the aid of the circulation system 12, heated insulating fluid is sucked out of the insulating fluid outlet 11 and fed to the heat exchanger of the cooling unit 14 via the pipelines 15. From there, the cooled insulating fluid reaches the insulating fluid inlets 10 in order to be reintroduced into the boiler 2 there.
  • the railway transformer 1 also has a support frame 16 for mounting on a rail vehicle, which does not need to be discussed in more detail at this point.
  • FIG. 2 shows the boiler 2 of the electrical device according to FIG. 1 in a perspective representation, the circulation system and the support frame having been omitted for the sake of a better overview.
  • the end hood 4 with the insulating fluid inlet 10 can be seen in the foreground, while the end hood 5 with the insulating fluid outlet 11 is shown in the background. It can be seen that the end caps 5 are equipped with hand holes 17, which facilitate the assembly and maintenance of the traction transformer 1.
  • the central part 3 is made of a light-weight material and two tubes 6 and 7 fit closely to the winding assemblies, less insulating fluid is required to completely fill the tank. Due to the reduced volume of insulating fluid, this reaches critical temperature ranges more quickly during operation and constant cooling.
  • FIG. 3 shows the boiler according to FIG. 2, but with the means for the improved cooling being indicated.
  • An insulating fluid line 19 thus extends between each insulating fluid inlet 10 and a distribution unit 18.
  • the cooled insulating fluid introduced into the insulating fluid inlet 10 is guided directly to the distribution unit 18, so that it no longer comes into contact with the mixed in the inner end hood 4 arranged warm insulating fluid.
  • the distribution unit 18 is arranged on the end face of the winding arrangement, which faces the insulating fluid inlet 10 in each case. In this case, the distribution unit is ring-shaped when viewed from above, so that it covers the entire end face of the winding arrangement.
  • the distribution unit 18 has a receiving unit 20, which is shown in FIG. 4 from the front and in FIG. 5 from the rear. It can be seen that the front side is flat, with a through hole 21 being visible, which is used to accommodate the outlet orifice of the connecting line 19 . In this way, the inflowing cooled insulating fluid passes through the through hole 21 to the back of the receiving unit 20, which is equipped with an inner 23 and outer 22 annular groove. Both grooves 22 and 23 open into the receiving opening 21 so that the insulating fluid flowing in is guided through the grooves 22 and 23 .
  • the rear side of the receiving unit 20 shown in FIG. 5 bears against the front side of a perforated disk 24, which is shown from the rear in FIG.
  • the perforated disk 24 is equipped with through holes 25, which allow the passage of insulating fluid from the grooves 22, 23 of the receiving unit 20 into distribution cavities 26, which is delimited in the axial direction by the perforated disk 24 and by the end face of the winding arrangement, not shown.
  • the distribution cavities 26 are laterally delimited by spacers 27 which are aligned radially or radially and form distribution cavities 26 similar to a piece of pie.
  • An outer boundary ring, not shown in the figures, and an inner boundary ring, also not shown in the figures, ensure that insulating fluid is prevented from escaping in the radial direction inwards or outwards from the distribution cavities 26 .
  • FIG. 7 shows the end face of a winding arrangement 31 in a top view, the end face shown facing away from the distribution unit 18 .
  • the winding arrangement 31 has an inner low-voltage winding 29, which is extended in the axial direction by an auxiliary operating winding, and an outer high-voltage winding 30 arranged concentrically with the low-voltage winding. It can be seen that the layers of the respective winding 29 and 30 are not wound directly on top of each other, but are spaced from each other. This is done by wrapping so-called winding bars, which are not shown in the figure.
  • the strips ensure the radial spacing of the winding layers that is necessary there, so that cooling channels 28 are formed between the winding layers and the strips. Because of the cooling channels 28, the rear side of the perforated disk 24, which is arranged on the other end face of the winding arrangement 31, including its spacers 27 and its through hole 25, can be seen. It can thus be understood that cooled insulating fluid penetrating into the distribution cavities 26 flows through the cooling channels 28 of the windings and thus ensures improved cooling of the windings 29 and 30 .
  • FIG. 8 shows the end of the winding arrangement 31 facing the distribution unit 18 and the distribution unit 18 itself.
  • the distribution unit 18 is shown partially in section.
  • the receiving unit 20 can be seen, which has an inner groove 23 and an outer groove 22 on its rear side, which—as already explained—are both connected to the receiving opening, which is not shown in FIG.
  • the perforated disk 24 which delimits the grooves 22 and 23 can also be seen.
  • the perforated disk 24 is equipped with through openings, not shown in the figure, which allow the insulating fluid to pass from the grooves 22, 23 into the distributor cavity 26, which are delimited on the one hand by the perforated disk 24 and on the other hand by the end face of the winding arrangement.
  • an outer sealing ring 32 and an inner sealing ring 33 can be seen, which ensure that the cooled insulating fluid from the distributor cavities 26 reaches the cooling channels 28 of the windings.

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Abstract

Elektrisches Gerät mit erzwungener Direktkühlung Um ein Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an eine Hochspannung mit - einem Aktivteil, das über einen magnetisierbaren Kern und wenigstens eine Wicklungsanordnung (31) verfügt, die jeweils einen Kernabschnitt des Kerns umschließt und induktiv miteinander gekoppelte Wicklungen (29, 30) aufweist, wobei in den Wicklungen Kühlkanäle (28) (19) ausgebildet sind, - einem mit einem Isolierfluid befüllten Kessel (2), in dem das Aktivteil vollständig angeordnet ist, wobei - der Kessel (2) wenigstens einen Isolierflüssigkeitseingang (10) und wenigstens einen Isolierflüssigkeitsausgang (11) aufweist, die über ein außerhalb des Kessels (2) angeordnetes Umwälzsystem (12) miteinander verbunden sind, das eine Kühleinheit (14) und eine Pumpe (13) zum Umwälzen des Isolierfluids umfasst, zu schaffen, das eine verbessete Kühlung aufweist, wird vorgeschlagen, dass jeder Isolierflüssigkeisteingang (10) über eine sich im Kessel (2) erstreckende Isolierfluidleitung (19) mit einer an einer der Stirnseiten der Wicklungsanordung (31) angeordnete Verteileinheit (18) verbunden ist, die gekühltes Isolierfluid auf die Kühlkanäle (28) verteilt.

Description

Beschreibung
Elektrisches Gerät mit erzwungener Direktkühlung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zum Anschluss an eine Hochspannung mit einem Aktivteil, das über einen mag netisierbaren Kern und wenigstens eine Wicklungsanordnung verfügt, die jeweils einen Kernabschnitt des Kerns umschließt und induktiv miteinander gekoppelte Wicklungen aufweist, wo bei in den Wicklungen Kühlkanäle ausgebildet sind, einem mit einem Isolierfluid befüllten Kessel, in dem das Aktivteil vollständig angeordnet ist, wobei der Kessel wenigstens einen Isoliertlüssigkeitseingang und wenigstens einen Isoliertlüssigkeitsausgang aufweist, die über ein außerhalb des Kessels angeordnetes Umwälzsystem miteinander verbunden sind, das über eine Kühleinheit und eine Pumpe zum Umwälzen des Isolierfluids verfügt.
Ein solches elektrisches Gerät ist aus der WO 2018/184775 Al bereits bekannt. Dort ist ein Bahntransformator gezeigt, der ein Aktivteil und einen Kessel aufweist, in dem das Aktivteil vollständig angeordnet ist. Das Aktivteil umfasst einen Kern mit zwei Kernschenkeln, die jeweils von zwei konzentrisch zu einander angeordneten Wicklungen umschlossen sind. Der Kessel weist ein Mittelteil auf, das die Außenkontur der Wicklungen formkomplementär umgibt. Das im Kessel für Isolierung und Kühlung angeordnete Isolierfluid wird über ein Kühsystem umgewälzt.
Die WO 2016/038222A1 offenbart einen Bahntransformator mit einem Aktivteil und einem Kessel, wobei der Kern des Aktiv teils vollständig außerhalb des Kessels angeordnet ist. Da bei ist der Bahntransformator über den Kern am Schienenfahr zeug befestigt, so dass keine hohen Kräfte in den Kessel eingeleitet werden. Der Kessel kann daher aus einem Leicht material wie beispielsweise Kunststoff gefertigt sein. Bahntransformatoren sind zur Montage an einem Schienenfahr zeug, wie beispielsweise an einer Lokomotive oder einem Triebwagen, vorgesehen. Sie dienen zur Bereitstellung einer gewünschten Traktionsspannung für den Antrieb der Lokomotive oder des Triebwagens in Abhängigkeit verschiedener Eingangs spannungen. Vorbekannte Bahntransformatoren weisen einen auf Erdpotenzial liegenden metallischen Kessel auf, der mit einem Isoliertluid, beispielsweise einer Esterflüssigkeit, befüllt ist. In dem Kessel ist das so genannte Aktivteil des Trans formators angeordnet, das einen aus magnetisierbaren Flachblechen bestehenden Kern sowie wenigstens zwei einen Abschnitt des Kerns konzentrisch umschließende Wicklungen umfasst. Zum Anschluss des Transformators an eine Hochspannung ist der Kessel mit Durchführungen ausgerüstet. Das Isolierfluid wird in aller Regel über ein außerhalb des Kessesl angeordnetes Kühlsystem umgewälzt.
Dem vorbekannten elektrischen Gerät haftet der Nachteil an, dass auf Grund des formkomplementären Aufbaus des Kessels, die Wicklungen nicht mehr ausreichend gekühlt weden können, so dass sich das Isolierfluid beim Betrieb schnell aufgeheizt und das elektrische Gerät nur bei geringen Leistungen be trieben werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Küh lung der Wicklungen verbessert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Isolier- flüssigkeisteingang über eine sich im Kessel erstreckende Isoliertluidleitung mit einer an einer der Stirnseiten der Wicklungsanordung angeordnete Verteileinheit verbunden ist, die gekühltes Isolierfluid auf die Kühlkanäle verteilt.
Erfindungsgemäß wird gekühltes Isolierfluid nicht mehr ledig lich in den Kessel eingeleitet. Vielmehr wird das gekühlte Isolierfluid im Rahmen der Erfindung gezielt direkt zu den Kühlkanälen der Wicklungen geführt. Zum direkten Einleiten des abgekühlten Isolierfluids in die Kühlkanäle der Wicklungen dient zum einen die Isolierfluidleitung. Diese erstreckt sich zwischen dem Isolierfluideingang und der Verteileinheit. Das gekühlte Isolierfluid wird am Isolierfluideingang in den Kessel des elektrischen Geräts eingeleitet. Auf Grund der Isolierfluidleitung kommt es unmittelbar hinter dem Isolierfluideingang nicht mehr - wie beim Stand der Technik - zur Vermischung mit dem wärmeren Isolierfluid im Kessel. Vielmehr wird das gesamte gekühlte Isolierfluid direkt zur Verteileinheit geführt. Die Verteileinheit sorgt schließlich dafür, dass sich das gekühlt Isolierfluid gleichmäßig auf die Kühlkanäle in den Wicklungen verteilt. Auf diese Weise wird gekühltes Isolierfluid direkt in die Kühlkanäle der Wicklungen eingeleitet, wodurch die Kühlung der Wicklungen verbessert wird. Auf Grund der verbesserten Kühlung kann das erfindungsgemäße elektrische Gerät bei höheren elektrischen Leistungen, beispielsweise mit höheren Strömen, betrieben werden.
Vorteilhafterweise ist die Isolierfluidleitung eine Rohrlei tung. Eine Rohrleitung ist einfach her zu stellen und daher kostengünstig in allen Variationen im Markt erhältlich.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung weist die Ver teileinheit eine Aufnahmeeinheit auf, deren Vorderseite dem Isolierfluideingang zugewandt ist und die eine Durchgangsöff nung aufweist, die zur Aufnahme der Ausgangsmündung der Iso lierfluidleitung eingerichtet ist, wobei die Rückseite der Aufnahmeeinheit mit wenigstens einer inneren Nut versehen ist. Gamäß dieser Ausführungsform der Erfindung mündet die Isolierfluidleitung in einer Durchgangsöffnung der Aufnahmeeinheit. Das gekühlte Isolierfluid strömt somit von dem Isolierfluideingang zur Durchgangsöffnung und gelangt von dort in die oder jede innere Nut auf der Rückseite der Aufnahmeeinheit. Die innere Nut beziehungsweise die inneren Nuten dienen zur radialen Verteilung des Isolierfluids. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten ringför mig ausgebildet und mit der Durchgangsöffnung verbunden. Er findungsgemäß ist die Verteileineheit an der dem Isolierflui deingang zugewandten Strinseite einer Wicklungsanordnung an- geordenet. Durch die ringförmige Ausgestaltung, wird die Ver teilung des Isolierfluids an die kreiszylindrische Ausgestal tung der Wicklungen angepasst, da sich die Kühlkanäle gleichmäßig verteilt in axialer Richung parallel zueinander durch die Wicklungen ertrecken.
Vorteilhafterweise verfügt die Verteileineit über eine an der Rückseite der Aufnahmeeinheit anliegende Lochplatte, die Durchgangsbohrungen aufweist und die an ihrer von der Aufnah meeinheit abgewandten Seite mit Abstandhaltern bestückt ist. Die Abstandshalter sind strahlenförmig ausgesichtet und zeigen auf einen gemeinamen Mittelpunkt. Dabei weisen sie zueinander einen konstanten Abstand auf und sind über den gesamten Umfang der Lochplatte verteilt. Mit anderen Worten begrenzen die Abstandshalter tortenstückartige Zwischenräume.
Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung begrenzen die Lochplatte die Abstandhalter und ein äußerer Dichtring Ver teilhohlräume, die jeweils mit wenigstens einem Kühlkanal verbunden sind. Durch die Nuten der Aufnahmeeinheit wird das Isolierfluid radial verteilt und gelangt durch die Durch gangsbohrungen in einen der Verteilhohlräume, die wie oben bereits ausgeführt wurde, in ihrer Ausgesaltung einem Tortenstück ähneln. Jeder dieser Verteilhohlräume wird in axialer Richtung von der Stirnseite der jeweiligen Wicklungs anordnung und der Lochplatte begrenzt. In radialer Richtung berenzen die Abstandshalter jeden Verteilhohlraum, der umfänglich also außen und innen von einem kranzförmigen Dichtring abgeschlossen wird. Die Abstandhalter erstrecken sich jeweils in radialer Richung also strahlenförmig auf der Rückseite der Lochplatte. Aus den gleichmäßig mit gekühlten Isolierfluid versorgten Verteilhohlräumen glangt das Isolierfluid in die Kühlkanäle der Wicklungen. Vorteilhafterweise sind die Aufnahmeeinheit und Lochplatte scheibenförmig ausgestaltet. Die scheibenförmige Ausgestal tung ermöglich eine kompakte Bauform des elektrischen Geräts.
Bevorzugt weist die Verteileinheit in einer Draufsicht eine kreisförmige Außenkontur auf. Auf diese Weise ist die Vertei leinheit an Gestalt der Wicklungsanordnung angepasst, an de ren Stirnseite die Verteileinheit im Rahmen der Erfindung an geordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung sind Wicklungen einer Wicklungsanord nung bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet. Eine äuße re Wicklung der Wicklungsanordnung ist beispielsweis als Pri märwicklung für höhere Spannungen ausgelegt als eine weiter innen angeordnete Sekundärwicklung oder umgekehrt. Neben ei ner Primär- und Sekundärwicklung kann jede Wicklungsanordnung auch weitere Wicklungen wie beispielsweise eine Hilfbetriebe- wicklung, eine Stufenwicklung oder dergleichen aufweisen.
Bevorzugt ist die Verteileinheit aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt. Auf diese Weise werden die elektormagnetischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts durch die Verteileinheit nicht oder jedenfalls nur geringfügig beeinflusst.
Bevorzugt weist der Kessel zwei metallische Endhauben auf, zwischen denen sich ein Mittelteil aus einem elektrisch nicht leitenden Material erstreckt. Das Mittelteil ist bei spielsweise formkomplementär zu der Außenkontor der Wicklun gen ausgestaltet und aus einem Leichtmaterial hergestellt.
Ein Leichtmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Material mit einem um den Faktor 2 geringeren Eigenge wicht als Stahl. So weist Stahl eine Dichte von 7,85-7,87 g/cm3 auf. Materialen mit einer Dichte kleiner als 3,9 g/cm3 sind Leichtmaterialien im Sinne der Erfindung. Beispiele für solche Leichtmaterialien sind Aluminium, Kunststoffe und mit Fasern verstärkte Kunststoffe. Bevorzugt besteht das Mittel- teil im Wesentlichen aus einem mit Glasfasern verstärktem Kunststoff mit einer Dichte von 2,5 g/cm3.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung weist der Kern zwei parallel zueinander verlaufende Kernschenkel auf, die jeweils von einer Wicklungsanordnung umschlossen ist, wobei die Kernschenkel durch ein unteres und oberes Joch miteinan der verbunden sind. Auf diese Weise ist ein geschlossener Ei senkreis ausgebildet. Bei dieser Variante der Erfindung sind also zwei Wicklungsanordnungen mit beispielsweise insgesamt vier Wicklungen vorgesehen, wobei jeweils zwei Wicklungen konzentrisch zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Schenkel des Kerns als Kernabschnitt umschließen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine innere Unterspannungs wicklung und um eine die Unterspannungswicklung umschließende Oberspannungswicklung. Der Kern weist ferner einen weiteren Schenkel auf, der ebenfalls von einer Unter- beziehungsweise Oberspannungswicklung umschlossen ist. Die beiden Unterspan- nungs- und Oberspannungswicklungen sind dabei beispielsweise in Reihe geschaltet. Die Kernschenkel, die sich jeweils durch eine der beiden Wicklungsanordnungen erstecken sind daher pa rallel zueinander ausgerichtet. Die Innenwandung des Mittel teil Kessels folgt der Außenkontur der äußeren Wicklungen der jeweiligen Wicklungsanordnung vollumfänglich.
Selbstverständlich können auch drei oder mehr Schenkel im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, wobei jeder Schenkel mit einer Wicklungsanordnung ausgerüstet ist, die aus zwei oder mehreren Wicklungen besteht.
Vorteilhafterweise sind auch die Endhauben an die Aktivteil abschnitte angepasst, die in ihrem Innenvolumen angeord-net sind. Gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung schmiegt sich der Kessel auch außerhalb seines Mittelteils zumindest in seiner inneren Ausgestaltung nicht nur an die Außenkontur der äußeren Wicklungen an. Vielmehr ist der Kes-sel auch formkomplementär zu weiteren Abschnitten des Aktiv-teils ausgestaltet, die ebenfalls die Außenkontur des Aktiv-teils festlegen.
Das obere und untere Joch definieren zusammen mit dem jewei ligen Pressrahmen die Außenkontur des Aktivteils, die nicht von den Wicklungen definiert wird. Während die Wicklungen je doch eine in der Regel zylinderförmige Außenkontur definie ren, weicht die restliche Außenkontur des Aktivteils hiervon beträchtlich ab. Die formkomplementäre Anpassung des Kessels an diese etwas komplexere Außenkontur ist daher darauf be grenzt, eine kastenförmige Einhüllende zu bilden. Damit ist gemeint, dass der Kessel in seiner Ausgestaltung nicht jede Schraube oder jeden Bolzen nachbildet, sondern den gesamten Abschnitt mit einer kastenförmigen und teilweise abgerundeten Kontur nachbildet. Diese kastenförmige Kontur begrenzt dann einen Innenraum, der die spannungsfeste Aufnahme der besagten Aktivteilabschnitte ermöglicht, jedoch gleichzeitig das In nenvolumen des Kessels auf ein Minimieren begrenzt.
Vorteilhafterweise sind die Endhauben aus einem Metall oder einer metallischen Legierung gefertigt. Besonders bevorzugt ist, dass die Endhauben aus Stahl gefertigt sind. Stahl weist eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Zweckmäßigerweise sind die Endhauben jeweils kastenförmig ausgestaltet. Eine kastenförmige Ausgestaltung kann serienmä ßig erfolgen. Eine Anpassung an das jeweilige individuell an gefertigte Aktivteil entfällt bei dieser Variante der Erfin dung. Auf diese Weise können weitere Kosten eingespart wer den.
Vorteilhafterweise weist wenigsten eine Endhaube ein Sicht fenster und/oder eine Handöffnung auf. Gemäß dieser Weiter entwicklung der Erfindung kann das elektrische Gerät einfach hergestellt und gewartet werden.
Das elektrische Gerät ist bevorzugt ein Bahntransformator. Unter einem magnetisierbaren Material wird hier ein ferromag netisches Material wie beispielsweise Eisen verstanden. Der Kern bildet im Rahmen der Erfindung bevorzugt einen geschlossenen Eisenkreis aus.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbespielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei die
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts in perspektivischer Darstellung,
Figur 2 das elektrische Gerät gemäß Figur 1 ohne Umwälzsys tem und Tragrahmen,
Figur 3 das elektrische Gerät gemäß Figur 2 mit angedeuteter Isolierluidleitung,
Figur 4 und 5 Vorder- bzw. Rückseite einer Aufnahmeeinheit einer Verteileinheit in perspektivischer Darstellung,
Figur 6 die Rückseite einer Lochplatte in perspektivischer Darstellung,
Figur 7 die Stirnseite einer Wicklungsanordnung in einer Draufsicht und
Figur 8 eine Ausfürhungsbeispiel einer Verteileinheit in einer Seitenansicht verdeutlichen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektrischen Geräts 1 in einer perspektivischen Darstellung, das dort dargestellte elektrische Gerät ist als Bahntransformator 1 ausgeführt. Der Bahntransformator 1 verfügt über einen Kessel 2, der aus einem Mittelteil 3 sowie zwei Endhauben 4 und 5 besteht. Die Endhauben 4 und 5 bestehen aus Stahl, wohingegen das Mittelteil 3 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist. In dem Kessel 2 ist ein figürlich nicht dargestelltes Aktivteil angeordnet, wobei der Kessel mit einem Isolierfluid befüllt ist. Das Aktivteil umfasst einen magnetisierbaren Kern aus Eisen, der zwei Kernschenkel aufweist, die über ein oberes und unteres Joch miteinander verbunden sind. Jeder Kernschenkel ist von einer Wicklungsanordnung umschlossen, wobei jede Wicklungsanordnung aus einer inneren Untespannungswicklung sowie einer äußeren Oberspannungswicklung besteht. Die Wicklungsanordnung umfasst ferner eine Hilfbetriebewicklung. Dabei sind Ober-, Unter- und Hilfbetriebwicklung als axiale Verlängerung der Unterspannungswicklung konzentrisch zueinander sowie zu dem Kernschenkel angeordnet, der diese Wicklungen innen durchragt.
Das Mittelteil 3 bildet zwei Gehäuseröhren 6 und 7 aus, die jeweils eine der Wicklungsanordnungen umschließen. Das untere und obere Joch sind in der oberen 4 bzw. unteren Endhaube 5 angeordnet. Zum Anschuss der einander parallel geschalteten Oberspannungswicklungen an den Fahrdraht auf Hochspannung dient eine Eingangsdurchführung 8. Die Unterspannungswicklung ist ausgangsseitig mit Kabelanschlussbuchsen 9 verbunden. Durch Einführen von passenden Kabelsteckern in die jeweilige Kabelanschlussbuchse 9 kann die gewünschte Traktionsspannung abgegriffen werden.
Die Endhaube 4 verfügt über zwei Isolierfluideingänge 10 wohingegen die Endhaube 5 mit einem Isolierfluidausgang 11 ausgerüstet ist. Schließlich ist ein Umwälzsystem 12 erkennbar, dass neben einer Pumpe 13 eine Kühleinheit 14 umfasst, die mit einem Wärmetauscher zum Abkühlen des umgewälzten Isolierfluids ausgerüstet ist. Das Umwälzsystem 12 verfügt ferner über Rohrleitungen 15. Mit Hilfe des Umwälzsystems 12 wird erwärmtes Isolierfluid aus dem Isolierfluidausgang 11 abgesaugt und über die Rohrleitungen 15 dem Wärmetauscher der Kühleinheit 14 zugeführt. Von dort gelangt das abgekühlte Isolierfluid zu den Isolierfluideingängen 10, um dort wieder in den Kessel 2 eingeführt zu werden. Der Bahntransformator 1 verfügt ferner über einen Tragrahmen 16, zur Montage an einem Schienenfahrzeug, auf den an dieser Stelle jedoch nicht genauer eingegangen zu werden braucht.
Figur 2 zeigt den Kessel 2 des elektrischen Geräts gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung, wobei das Umwälzsystem und der Tragrahmen der besseren Übersicht wegen weggelassen wurden. Im Vordergrund ist die Endhaube 4 mit den Isoliertluideingang 10 erkennbar während im Hintergrund die Endhaube 5 mit Isolierfluidausgang 11 dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass die Endhauben 5 mit Handlöchern 17 ausge rüstet sind, welche die Montage und Wartung des Bahntransformators 1 erleichtern.
Da das Mittelteil 3 aus einem Leichtmaterial gefertigt ist und zwei eng an den Wicklungsanordnungen anliegende Röhren 6 und 7 ausgebildet, wird weniger Isolierfluid benötigt, um den Kessel vollständig zu befüllen. Durch das reduzierte Volumen an Isolierfluid erreicht dieses beim Betrieb und gleich bleibender Kühlung schneller kritische Temperaturbereiche.
Aus diesem Grunde wurde im Rahmen der Erfindung die Kühlung der Wicklungen verbessert.
Figur 3 zeigt den Kessel gemäß Figur 2, wobei jedoch die Mittel für die verbesserte Kühlung angedeutet sind. So erstreckt sich zwischen jedem Isolierfluideingang 10 und einer Verteileinheit 18 eine Isolierfluidleitung 19. Mit Hilfe der Isolierfluidleitung 19, die rohrförmig ausgestaltet ist, wird das in den Isolierfluideingang 10 eingeleitete abgekühlte Isolierfluid direkt zu der Verteileinheit 18 geführt, so dass es sich nicht mehr mit dem in der inneren Endhaube 4 angeordneten warmen Isolierfluid vermischt. Dabei ist die Verteileinheit 18 an der Stirnseite der Wicklungs anordnung angeordnet, die dem Isolierfluideingang 10 jeweils zugewandt ist. Dabei ist die Verteileinheit in der Draufsicht kranzförmig ausgebildet, so dass diese die gesamte Stirnseite der Wicklungsanordnung überdeckt. Die Verteileinheit 18 verfügt über eine Aufnahmeeinheit 20, die in Figur 4 von vorne, sowie in Figur 5 von hinten gezeigt ist. Es ist erkennbar, dass die Vorderseite eben ausgebildet ist, wobei eine Durchgangsbohrung 21 erkennbar ist, die zur Aufnahme der Ausgangsmündung der Verbindungsleitung 19 dient. Auf diese Weise gelangt das einströmende gekühlte Isolierfluid durch die Durchgangsbohrung 21 auf die Rückseite der Aufnahmeeinheit 20, die mit einer inneren 23 sowie äußeren 22 ringförmigen Nut ausgerüstet ist. Beide Nuten 22 und 23 münden in der Aufnahmeöffnung 21, so dass das einströmende Isolierfluid durch die Nuten 22 und 23 geführt ist.
Die in Figur 5 gezeigte Rückseite der Aufnahmeeinheit 20 liegt an der Vorderseite einer Lochscheibe 24 an, die in Figur 6 von hinten gezeigt ist. Die Lochscheibe 24 ist mit Durchgangsbohrungen 25 ausgerüstet, die den Durchtritt von Isolierfluid aus den Nuten 22, 23 der Aufnahmeeinheit 20 in Verteilholräume 26 ermöglichen, die in axialer Richtung einmal von der Lochscheibe 24 sowie von der Stirnseite der nicht gezeigten Wicklungsanordnung begrenzt ist. Die seitliche Begrenzung der Verteilhohlräume 26 erfolgt durch Abstandshalter 27, die radial oder strahlenförmig ausgerichtet sind und tortenstückähnliche Verteilholräume 26 ausbilden. Ein figürlich nicht dargestellter äußerer Begrenzungsring sowie ein innerer ebenfalls figürlich nicht dargestellter Begrenzungsring sorgen dafür, dass ein Austritt von Isolierfluid in radialer Richtung nach innen oder außen aus den Verteileholräumen 26 vermieden ist.
Figur 7 zeigt die Stirnseite einer Wickungsanordnung 31 in einer Draufsicht, wobei die gezeigte Stirnseite von der Verteileinheit 18 abgewandt ist. Die Wicklungsanordnung 31 weist eine innere Niederspannungswicklung 29, die in axialer Richtung von einer Hilfsbetriebewicklung verlängert wird, und eine äußere konzentrisch zur Unterspannungswicklung angeordnete Oberspannungswicklung 30 auf. Es ist erkennbar, dass die Lagen der jeweiligen Wicklung 29 bzw. 30 nicht direkt aufeinander gewickel, sondern voneinander beabstandet sind. Dies erfolgt durch Einwickeln so genanter Wicklungsleisten, die in der Figur nicht dargestellt sind.
Die Leisten sorgen für den dort notwendigen radialen Abstand der Wicklungslagen, so dass zwischen den Wicklungslagen und den Leisten Kühlkanäle 28 gebildet sind. Aufgrund der Kühlkanäle 28 ist die an der anderen Stirnseite der Wicklungsanordnung 31 angeordnete Rückseite der Lochscheibe 24 einschließlich ihrer Abstandshalter 27 sowie ihrer Durchgangsbohrung 25 erkennbar. Somit kann nachvollzogen werden, dass in die Verteilholräume 26 eindringendes abgekühltes Isolierfluid durch die Kühlkanäle 28 der Wicklungen strömt und so für eine verbesserte Kühlung der Wicklungen 29 und 30 sorgt.
Figur 8 zeigt das der Verteileinheit 18 zugewandte Ende der Wicklungsanordnung 31 sowie die Verteileinheit 18 selbst. Dabei ist die Verteileinheit 18 teilweise geschnitten dargestellt. Zunächst ist die Aufnahmeeinheit 20 erkennbar, die auf ihrer Rückseite eine innere Nut 23 sowie eine äußere Nut 22 aufweist, die - wie bereits ausgeführt wurde - beide mit der Aufnahmeöffnung verbunden sind, die in Figur 8 nicht dargesellt ist. Darüber hinaus ist die Lochscheibe 24 erkennbar, welche die Nuten 22 und 23 begrenzt. Die Lochscheibe 24 ist mit figürlich nicht dargesellten Durchgangsöffnungen ausgerüstet, welche den Durchtritt des Isoliertluids von den Nuten 22, 23 in den Verteilerholraum 26 ermöglichen, die einerseits durch die Lochscheibe 24 und andererseits durch die Stirnseite der Wicklungsanordnung begrenzt sind. Um einen Austritt von Isolierfluid aus den Verteilerholräumen 26 zu vermeiden, sind ein äußerer Dichtring 32 sowie ein innerer Dichtring 33 erkennbar, die sicherstellen, dass das gekühlte Isolierfluid aus den Verteilerholräumen 26 in die Kühlkanäle 28 der Wicklungen gelangt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Gerät (1) zum Anschluss an eine Hochspannung mit einem Aktivteil, das über einen magnetisierbaren Kern und wenigstens eine Wicklungsanordnung (31) verfügt, die jeweils einen Kernabschnitt des Kerns umschließt und induktiv miteinander gekoppelte Wicklungen (29, 30) aufweist, wobei in den Wicklungen Kühlkanäle (28) (19) ausgebildet sind, einem mit einem Isolierfluid befüllten Kessel (2), in dem das Aktivteil vollständig angeordnet ist, wobei der Kessel (2) wenigstens einen Isolierflüssigkeits eingang (10) und wenigstens einen Isolierflüssigkeitsausgang (11) aufweist, die über ein außerhalb des Kessels (2) angeordnetes Umwälzsystem (12) miteinander verbunden sind, das eine Kühleinheit (14) und eine Pumpe (13) zum Umwälzen des Isolierfluids umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Isoliertlüssigkeisteingang (10) über eine sich im Kessel (2) erstreckende Isolierfluidleitung (19) mit einer an einer der Stirnseiten der Wicklungsanordung (31) angeordnete Verteileinheit (18) verbunden ist, die gekühltes Isolierfluid auf die Kühlkanäle (28) verteilt.
2. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Isolierfluidleitung eine Rohrleitung (19) ist.
3. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verteileinheit (18) eine Aufnahmeeinheit (20) aufweist, deren Vorderseite dem oder einem der Isolierfluideingänge (10) zugewandt ist und die eine Durchgangsöffnung (21) aufweist, die zur Aufnahme der Ausgangsmündung der Isolierfluidleitung (19) eingerichtet ist, wobei die Rückseite der Aufnahmeeinheit (20) mit inneren Nuten (22, 23) versehen ist. 4. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nuten (22, 23) ringförmig ausgebildet sind und mit der Durchgangsöffnung (21) verbunden sind
5. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verteileineit (18) über eine an der Rückseite der Aufnahmeeinheit (20) anliegende Lochplatte (24) verfügt, die Durchgangsbohrungen (25) aufweist und die an ihrer von der Aufnahmeeinheit (20) abgewandten Seite mit Abstandhaltern
(27) bestückt ist.
6. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lochplatte (24) die Abstandhalter (27) und ein äußerer Dichtring (33) Verteilhohlräume (26) begrenzen, die jeweils mit wenigstens einem Kühlkanal (28) verbunden sind.
7. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Aufnahmeeinheit (20) und Lochplatte (24) scheibenförmig ausgestaltet sind.
8. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
Verteileinheit (18) in einer Draufsicht eine kreisförmige Außenkontur aufweist.
9. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
Verteileinheit (18) aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt ist.
10. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kessel (2) und zwei metallische Endhauben (4, 5) aufweist, zwischen denen sich ein Mittelteil (3) aus einem elektrisch nicht leitenden Material erstreckt.
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