Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung

Abstract

 Es wird ein Koaxialtransformator mit mindestens zwei parallel nebeneinander angeordneten koaxialen Wicklungsanordnungen (2) vorgeschlagen, jeweils bestehend aus einem inneren Koaxialleiter (3) und einem äußeren Koaxialleiter (4). Die koaxialen Wicklungsanordnungen (2) sind über mindestens einen Planarverbinder (6) miteinander verbunden, wobei der Planarverbinder eine äußere Verbindungsschiene (7) zur Verbindung mit dem inneren Koaxialleiter (3) und eine innere Verbindungsschiene (8) zur Verbindung mit dem äußeren Koaxialleiter (4) aufweist und die innere Verbindungsschiene (8) Durchbrüche (11) zur Durchführung der inneren Koaxialleiter (3) aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur Schaffung eines Mittelfrequenz-Transformators für elektrische Schienenfahrzeuge verwendet werden.

[0002] Aus IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31, No. 6, November /December 1995, S. 1257 - 1263 ist ein Koaxialtransformator für Mittelfrequenz-Anwendungen bekannt, wobei eine Segmentierung von innerem und äußerem Koaxialleiter vorgeschlagen wird. Die Vorteile eines derartigen Koaxialtransformators liegen prinzipiell in der hohen Isolationsfähigkeit zwischen Primär- und Sekundärwicklung aufgrund der elektrischen Feldsymmetrie, in den extrem geringen Stromverdrängungseffekten aufgrund der magnetischen Feldsymmetrie, in der sehr geringen Streuinduktivität und im sehr geringen Leistungsgewicht. Hierdurch wird die Anwendung des Transformators mit hohen Wechselspannungsfrequenzen im Mittelfrequenzbereich sowie die Anwendung für größere Leistungen von weit über 100 kW ermöglicht. Es können sehr hohe Leistungsdichten von über 25 kW/kg (bei einer Frequenz von 20 kHz) erreicht werden.

[0003] Die vorgeschlagenen Koaxialtransformatoren mit segmentierter Wicklung bestehen durchgehend aus einer koaxialen Anordnung, die große fertigungstechnische Probleme aufwirft. Besonders wenn eine hohe Isolationsspannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung gewährleistet werden muß, ergibt sich eine komplizierte Vergußtechnik für das vollständig von der äußeren Wicklung umschlossene Volumen. Eine Kühlung der inneren Wicklung erfordert Durchführungen durch die Koaxialanordnung, die die Feldsymmetrien deutlich stören. Die Vorteile der segmentierten Wicklung gegenüber der nicht segmentierten Wicklung liegen in einer besseren Ausnutzung des Wicklungsfensters für Windungszahlen größer als eins und in einem beliebig wählbaren Übersetzungsverhältnis für den Transformator.

[0004] Verwendet man keine segmentierte Wicklung, kann für die Wicklung im einfachsten Fall ein Koaxialkabel verwendet werden. Damit sind jedoch nur sehr kleine Übersetzungsverhältnisse möglich, wie beispielsweise 1:1, 1:2. Bei mittleren und höheren Leistungen entstehen Kühlungsprobleme für die Wicklung, da bei geforderten kleinen Biegeradien für das Kabel eine koaxiale Wasserkühlung im Koaxialkabel ausscheidet.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, der fertigungstechnisch einfach herstellbar ist und sehr gute elektrische Eigenschaften aufweist.

[0006] Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0007] Der große Vorteil der vorgeschlagenen Verbindungstechnik besteht darin, daß die durch den Transformator mit koaxialer Wicklungsanordnung und planarer Verbindungstechnik prinzipiell erzielbaren Feldsymmetrien durch die an den

Transformatorköpfen" eingesetzte Verbindungstechnik nicht gestört werden. Da die vorgeschlagenen Planarverbinder ähnlich gute Hochfrequenzeigenschaften wie die koaxialen Wicklungsanordnungen aufweisen, bleiben alle Vorteile des Koaxialtransformators - wie hohe Isolationsfestigkeit durch elektrische Feldsymmetrie, extrem geringe Stromverdrängungseffekte durch magnetische Feldsymmetrie, sehr geringe Streuinduktivität und sehr geringes Leistungsgewicht - erhalten.

[0008] Der vorgeschlagene, mit planarer Verbindungstechnik versehene Koaxialtranformator ist bei Leistungen bis 500 kW MF-tauglich (MF = Mittelfrequenz). Er eignet sich hervorragend für resonante Gleichspannungswandler hoher Leistung, die eine geringe Streuinduktivität erfordern. Das Leistungsgewicht liegt unter 1/10 kg/kW bei einer Frequenz von 8 kHz. Es ist eine einfache und effektive Kühlung der Wicklung durch Verwendung der inneren Koaxialleiter - die mittels der Durchführungen durch die Planarverbinder sehr leicht zugänglich sind - als Kühlkanal möglich. In der inneren Wicklung, d. h. im inneren Koaxialleiter, entsteht der größte Teil der Wicklungsverluste, da für diese Wicklung weniger Leiterquerschnitt zur Verfügung steht als für die äußere Wicklung, d. h. den äußeren Koaxialleiter. Für eine Hochspannungsisolation läßt sich das durch die seitlich offenen Planarverbinder leicht zugängliche Volumen zwischen Primär- und Sekundärwicklung einfach mit Isolationsmaterial vergießen.

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

die Sicht auf die Oberseite eines Koaxialtransformators,

Fig. 2

die Sicht auf die Unterseite eines Koaxialtransformators,

Fig. 3

einen Planarverbinder (Doppelstreifenleitung) für den Koaxialtransformator,

Fig. 4

die Sicht auf die Oberseite eines alternativ ausgebildeten Koaxialtransformators (erste Variante),

Fig. 5

die Sicht auf die Unterseite eines alternativ ausgebildeten Koaxialtransformators (erste Variante),

Fig. 6

die Seitenansicht eines Koaxialtransformators (erste Variante),

Fig. 7

eine Sicht auf und einen seitlichen Schnitt durch einen Koaxialtransformator mit segmentierter Wicklung (zweite Variante),

Fig. 8

äußere und innere Verbindungsschiene der Planarverbinder eines segmentierten Koaxialtransformators (zweite Variante).

[0010] In Fig. 1 ist die Sicht auf die Oberseite eines nicht segmentierten Koaxialtransformators dargestellt. Der Koaxialtransformator 1 weist eine Vielzahl von einzelnen, parallel nebeneinander angeordneten koaxialen Wicklungsanordnungen 2 auf. Die Windungszahl w ist eins. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins. Jede koaxiale Wicklungsanordnung 2 besitzt einen inneren Koaxialleiter 3 und einen äußeren Koaxialleiter 4. Die inneren Koaxialleiter 3 und äußeren Koaxialleiter 4 von zwei benachbarten koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über eine Planarverbinder 6 miteinander verbunden, wobei jedoch zwei koaxiale Wicklungsanordnungen 2 nicht mit derartigen Planarverbindern 6 beschaltet sind, sondern zur Bildung von Primärwicklungsanschlüssen 13 und Sekundärwicklungsanschlüssen 14 dienen. Die Primärwicklungsanschlüsse 13 sind mit den äußeren Koaxialleitern 4 und die Sekundärwicklungsanschlüsse 14 mit den inneren Koaxialleitern 3 verbunden. Die jeweils zwischen den koaxialen Wicklungsanordnungen 2 befindlichen und diese umschließenden Eisenkerne (Stapel von Ringkernen) sind mit Ziffer 5 bezeichnet.

[0011] In Fig. 2 ist die Sicht auf die Unterseite des Koaxialtransformators 1 dargestellt. Es sind insbesondere die jeweils zwei benachbarte koaxiale Wicklungsanordnungen miteinander verbindenden Planarverbinder 6 zu erkennen.

[0012] In Fig. 3 ist ein Planarverbinder für den Koaxialtransformator dargestellt, und zwar im linken Bildabschnitt eine Sicht auf die Unterseite, im rechten Bildabschnitt eine Sicht auf die Oberseite und im mittleren Bildabschnitt ein seitlicher Querschnitt. Wie aus dem mittleren Bildabschnitt hervorgeht, weist der Planarverbinder 6 eine äußere Verbindungsschiene 7 und eine innere Verbindungsschiene 8 auf, wobei die äußere Verbindungsschiene 7 über eine Verbindungsstelle (Flansch) 9 mit dem inneren Koaxialleiter 3 und die innere Verbindungsschiene 8 über einen Verbindungsflansch 10 mit dem äußeren Koaxialleiter 4 verbunden ist. Die Verbindungen erfolgen vorzugsweise über Hülsen (Flansche), welche beispielsweise mit den Koaxialleitern verlötet und mit den Verbindungsschienen verschraubt sind. Für die Durchführung der inneren Koaxialleiter 3 zur äußeren Verbindungsschiene 7 sind die inneren Verbindungsschienen 8 mit Durchbrüchen 11 versehen. Um örtliche Feldstärkeerhöhungen zu verhindern, sind die Verbindungsflansche 10 kegelförmig und die Kanten der äußeren Verbindungsschiene 7 und der inneren Verbindungsschiene 8 jeweils als Rundkanten 12 ausgebildet. Als Material für die Verbindungsschienen dient beispielsweise Kupfer oder Aluminium.

[0013] Die Sicht auf die Unterseite im linken Bildabschnitt der Fig. 3 zeigt die innere Verbindungsschiene 8 mit den Durchbrüchen 11. Die inneren und äußeren Koaxialleiter 3, 4 sind noch nicht befestigt. Die Sicht auf die Oberseite im rechten Bildabschnitt zeigt die äußere Verbindungsschiene 7. Die inneren und äußeren Koaxialleiter 3, 4 sind ebenfalls noch nicht befestigt.

[0014] Eine vereinfachte Ausführungsform eines Planarverbinders (Doppelstreifenleitung) ergibt sich durch Verwendung von doppelseitigen Platinenlayouts, welche bei kleineren Strombelastungen bis zu wenigen 100 A Verwendung finden können. Zur Vermeidung von örtlichen Feldstärkeüberhöhungen können die äußeren Koaxialleiter 4 an den Verbindungsstellen kegelförmig aufgeweitet werden.

[0015] In Fig. 4 ist die Sicht auf die Oberseite eines alternativ ausgebildeten, ebenfalls nicht segmentierten Koaxialtransformators (erste Variante) dargestellt. Bei diesem Koaxialtransformator 1' sind die koaxialen Wicklungsanordnungen 2 in zwei parallelen, einander gegenüberliegenden Reihen angeordnet, wobei in jeder Reihe eine Vielzahl von koaxialen Wicklungsanordnungen 2 parallel nebeneinander liegt. Jede Reihe ist von einem Eisenkern 15, 16 umschlossen. Die beiden am Ende jeder Reihe angeordneten, sich diagonal gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanordnungen 2 dienen zur Bildung von Primärwicklungsanschlüssen und Sekundärwicklungsanschlüssen und sind deshalb nicht mit Planarverbindern verbunden. Die weiteren, sich jeweils schräg gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über Planarverbinder 6 miteinander verbunden. Die Windungszahl w ist neun. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins.

[0016] In Fig. 5 ist die Sicht auf die Unterseite des alternativ ausgebildeten Koaxialtransformators 1' (erste Variante) dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind die jeweils sich direkt gegenüberliegenden koaxialen Wicklungsanordnungen 2 der beiden Reihen über Planarverbinder 6 miteinander verbunden.

[0017] In Fig. 6 ist die Seitenansicht des Koaxialtransformators 1' (erste Variante) dargestellt. Es sind die beiden Eisenkerne 15, 16 zu erkennen, welche die beiden Reihen mit den koaxialen Wicklungsanordnungen 2 umschließen. Die inneren Koaxialleiter 3 und äußeren Koaxialleiter 4 der koaxialen Wicklungsanordnungen 2 sind über die äußeren Verbindungsschienen 7 und inneren Verbindungsschienen 8 der Planarverbinder 6 verbunden. Dabei sind jeweils benachbarte Planarverbinder vorzugsweise vertikal versetzt angeordnet.

[0018] In Fig. 7 ist im oberen Bildabschnitt eine Sicht (in Schnittdarstellung) auf und im unteren Bildabschnitt ein seitlicher Schnitt durch einen Koaxialtransformator 1'' mit segmentierter Wicklungsanordnung (zweite Variante) dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl der innere Koaxialleiter 3'' als auch der äußere Koaxialleiter 4'' aus mehreren einzelnen Segmenten 22 zusammengesetzt. Im Ausführungsbeispiel sind für beide Koaxialleiter je vier Segmente vorhanden. Die Windungszahl w ist vier. Das Übersetzungsverhältnis ü ist beispielsweise eins. Durch eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten im inneren und äußeren Koaxialleiter (d. h. in Primär- und Sekundärwicklung) lassen sich beliebige rationale Übersetzungsverhältnisse ü wählen (beispielsweise ü=7:8, ü=1:3, ü=12:1). Wie im oberen Bildabschnitt zu erkennen ist, weist der Koaxialtransformator 1'' zwei parallel nebeneinander angeordnete koaxiale Wicklungsanordnungen 2'' auf, wobei jede dieser Wicklungsanordnungen von einem Eisenkern 17, 18 (vorzugsweise Ringkerne) umschlossen ist, wobei die Segmente um 45° versetzt sind, was die Anschlußtechnik über die Planarverbinder erleichtert. Zwischen den beiden Koaxialleitern 3'', 4'' ist jeweils eine elektrische Isolation 19 eingebracht. Die inneren Mantelflächen der inneren Koaxialleiter 3'' sind mit einer elektrischen Isolation 21 versehen, wodurch die Innenkanäle dieser inneren Koaxialleiter als Kühlkanäle 20 unter Verwendung von Brauchwasser als Kühlmittel verwendbar sind. Die zwischen beiden Eisenkernen 17, 18 erkennbaren schwarzen Flächen stellen einen Abschnitt einer Verbindungsschiene eines Planarverbinders dar.

[0019] Die Schnittdarstellung im unteren Bildabschnitt der Fig. 7 zeigt insbesondere die Verbindung der beiden koaxialen Wicklungsanordnungen mit den Verbindungsschienen eines Planarverbinders 6''. Die Segmente der äußeren Koaxialleiter 4'' sind über Verbindungsstellen 10'' mit den Strompfaden der inneren Verbindungsschiene 8'' verbunden. Besteht die Anforderung einer hohen Isolationsspannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, kann die Verbindungsstelle 10'' (wie auch die Verbindungsstelle 10 in Fig. 3) kegelförmig ausgebildet werden, um lokale elektrische Feldstärkeerhöhungen zu vermeiden. Desgleichen sind die Segmente der inneren Koaxialleiter 3'' über Verbindungsstellen 9'' mit den Strompfaden der äußeren Verbindungsschiene 7'' verbunden. Zwischen den Verbindungsschienen 7'', 8'' und zwischen den einzelnen Strompfaden jeder Verbindungsschiene sowie zwischen inneren und äußeren Koaxialleitern ist eine elektrische Isolation 24 vorgesehen, die durch Vergießen des über die seitlich offenen Planarverbinder leicht zugänglichen Volumens eingebracht werden kann. Die Kühlkanäle 20 mit der elektrischen Isolation 21 an den Mantelflächen der inneren Koaxialleiter sowie die Eisenkerne 17, 18 sind in der Schnittdarstellung gut erkennbar. Die Kühlkanäle 20 können mit (nicht dargestellten) Anschlußstutzen versehen sein, um einen Kühlflüssigkeits-Kreislauf durch den Koaxialtransformator zu erzielen und um damit die im Koaxialtransformator produzierte Wärmeenergie in einen externen Rückkühler zu transportieren.

[0020] In Fig. 8 sind im linken Bildabschnitt eine äußere Verbindungsschiene 7'' und im rechten Bildabschnitt eine innere Verbindungsschiene 8'' der Planarverbinder 6'' eines segmentierten Koaxialtransformators (zweite Variante) dargestellt. Wie zu erkennen ist, weist jede Verbindungsschiene mehrere Strompfade 23 für die Verbindung mit den einzelnen Segmenten 22 der Koaxialleiter auf. Da im Ausführungsbeispiel jeder Koaxialleiter in vier Segmente unterteilt ist, sind vier Strompfade je Verbindungsschiene vorgesehen. Zur Bildung der Wicklungsanschlüsse ist dabei ein Strompfad aufgetrennt und die beiden Teilstücke sind mit elektrischen Anschüssen versehen. Im linken Bildabschnitt der Fig. 8 sind beispielhaft die hierdurch erhaltenen Sekundärwicklungsanschlüsse 14 gezeigt.

[0021] Die Drehung der segmentierten Wicklungsanordnungen um 45° erlaubt die Verwendung eines spiegelsymmetrischen Planarverbinders für die gegenüberliegende Seite, wobei hier ein Strompfad der inneren Verbindungsschiene 8'' zur Bildung der Wicklungsanschlüsse der beispielhaft primären Wicklung aufgetrennt ist.

[0022] Es ist selbstverständlich, daß die in den einzelnen Ausführungsformen beschriebenen Techniken - wie beispielsweise die Kühltechnik oder die Konstruktion der Planarverbinder - nicht auf die jeweils spezielle Ausführungsform beschränkt sind, sondern auch bei den weiteren behandelten Ausführungsformen eingesetzt werden können. So sind beispielsweise auch die inneren Koaxialleiter der Koaxialtransformatoren gemäß den Fig. 1, 2, 4 bis 6 als Kühlkanäle verwendbar. Durch geeignete, gekrümmte Rohrverbinder werden die nebeneinander angeordneten inneren Koaxialleiter miteinander verbunden, wodurch eine durchgehende Kühlmittelleitung mit einem Zufuhrstutzen und einem Abfuhrstutzen entsteht. Desgleichen sind die Koaxialtransformatoren gemäß den Fig. 1, 2, 4 bis 6 selbstverständlich auch segmentierbar.

Ansprüche

1. Transformator mit mindestens zwei parallel nebeneinander angeordneten koaxialen Wicklungsanordnungen (2, 2''), jeweils bestehend aus einem inneren Koaxialleiter (3, 3'') und einem äußeren Koaxialleiter (4, 4''), dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Wicklungsanordnungen (2, 2'') über mindestens einen Planarverbinder (6, 6'') miteinander verbunden sind, wobei der Planarverbinder eine äußere Verbindungsschiene (7, 7'') zur Verbindung mit dem inneren Koaxialleiter (3, 3'') und eine innere Verbindungsschiene (8, 8'') zur Verbindung mit dem äußeren Koaxialleiter (4, 4'') aufweist und die innere Verbindungsschiene (8, 8'') Durchbrüche (11) zur Durchführung der inneren Koaxialleiter (3, 3'') aufweist.

2. Koaxialtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Verbindungsschienen (7, 7'', 8, 8'') als Rundkanten (12) ausgebildet sind.

3. Koaxialtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Koaxialleiter (3, 3'', 4, 4'') an der Verbindungsstelle (10, 10'') zu den Verbindungsschienen (8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') einen kegelförmigen Übergang aufweisen.

4. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolation (24) zwischen den Verbindungsschienen (7, 7'', 8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') eingebracht ist.

5. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Koaxialleiter (3, 3'') gleichzeitig Kühlkanäle (20) sind.

6. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der inneren Koaxialleiter (3, 3'') mit einer elektrischen Isolation (21) beschichtet sind.

7. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Koaxialleiter (3, 3'') und/oder die äußeren Koaxialleiter (4, 4'') aus mehreren, voneinander elektrisch isolierten Segmenten (22) aufgebaut sind.

8. Koaxialtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Verbindungsschiene (7, 7'') und/oder die innere Verbindungsschiene (8, 8'') der Planarverbinder (6, 6'') aus mehreren, voneinander elektrisch isolierten Strompfaden (23) aufgebaut ist, welche mit den einzelnen Segmenten (22) der Koaxialleiter verbunden sind.

9. Koaxialtransformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strompfad (23) in zwei Abschnitte unterteilt ist, um Primärwicklungsanschlüsse (13) oder Sekundärwicklungsanschlüsse (14) zu bilden.

10. Koaxialtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolation (19) zwischen innerem und äußerem Koaxialleiter (3, 3'', 4, 4'') eingebracht ist.

Zeichnung