Elektrische Wicklungsanordnung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Wicklungsteilanordnungen (3,4;3233). Um die Wicklungsanordnung (2,2a) für eine vergleichsweise hohe Nennleistung auszubilden, ist vorgesehen, dass zwischen den Wicklungsteilanordnungen (3,4;32,33) ein Kühlelement (20;48) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklungsanordnung mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Wicklungsteilanordnungen.

[0002] Eine solche Wicklungsanordnung ist bekannt aus der deutschen Patentschrift DE 199 12 280 C1. Dort ist ein Transformator beschrieben, bei dem die Wicklungsanordnung drei stehende und nebeneinander in einer Reihe angeordnete Wicklungsteilanordnungen aufweist. Jede der Wicklungsteilanordnungen ist für eine Phase des elektrischen Transformators vorgesehen und weist eine Oberspannungswicklung und eine Unterspannungswicklung auf. Jede Unterspannungswicklung ist koaxial in der zugeordneten Oberspannungswicklung angeordnet und dadurch von dieser umgeben. Zwischen der Ober- und Unterspannungswicklung ist ein Zwischenraum zur Durchströmung mit Kühlluft belassen, der einen Ringkanal bildet. Jede der Wicklungsteilanordnungen umgibt jeweils einen Kernschenkel eines geschlossenen Transformatorkerns.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die für eine vergleichsweise hohe Nennleistung ausgelegt ist.

[0004] Die Aufgabe wird bei einer elektrischen Wicklungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Wicklungsteilanordnungen ein Kühlelement angeordnet ist. Im Betrieb geben die Wicklungsteilanordnungen Wärme unmittelbar an die sie umgebende Luft und durch Wärmestrahlung an andere sie umgebenden Teile, beispielsweise den Kern oder jeweils andere Wicklungsteilanordnungen. Dadurch werden die Stellen einer Wicklungsteilanordnung stärker erwärmt, die nahe bei einer anderen Wicklungsteilanordnung liegen. Die stärkere Erwärmung ist darauf zurückzuführen, dass sich die Wicklungsteilanordnungen dort aufgrund ihrer Nähe stärker gegenseitig durch die von ihnen jeweils abgegebene Wärmestrahlung erwärmen und die Wicklungsteilanordnungen dort schlechter kühlbar sind, weil dort zwischen ihnen nur ein geringer Abstand besteht, so dass die stärker erwärmten Stellen für ein Kühlmedium schlechter zugänglich sind. Das jedoch genau dort zwischen den Wicklungsteilanordnungen angeordnete Kühlelement wirkt wie ein zwischen den Wicklungsanordnungen liegender Schirm für die Wärmestrahlung. Durch das Kühlelement wird die ansonsten von der einen Wicklungsanordnung zur anderen abgegebene Wärmestrahlung weitgehend aufgenommen und gelangt also nicht von der einen zur anderen Wicklungsanordnung. Das Kühlelement wird dadurch zwar erwärmt; von der Oberfläche des Kühlelements wird die Wärme aber unmittelbar an die umgebende Kühlluft abgegeben, wodurch das Kühlelement gekühlt wird. Die gegenseitige Erwärmung der Wicklungsteilanordnungen wird also verringert und ein Wärmestau weitgehend zwischen den Wicklungsteilanordnungen vermieden. Insgesamt wird mit dem Kühlelement die Temperaturverteilung im Betrieb innerhalb jeder der Wicklungsteilanordnungen vergleichmäßigt und die Wicklungsteilanordnungen sind besser gekühlt. Demzufolge ist die elektrische Wicklungsanordnung mit einer höheren elektrischen Nennleistung betreibbar als die elektrische Wicklungsanordnung nach dem Stand der Technik. Ebensogut kann die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung mit gleicher elektrischer Nennleistung betrieben werden, wobei allerdings die Anforderungen an die thermische Festigkeit des bei den Wicklungsteilanordnungen verwendeten Isoliermaterial geringer sein können als beim Stand der Technik, so dass die elektrische Wicklungsanordnung bei gleicher elektrischer Nennleistung kostengünstiger ist.

[0005] Das Kühlelement kann unter Berührung der beiden Wicklungsteilanordnungen zwischen diesen angeordnet sein. Vorzugsweise sind aber die Wicklungsteilanordnungen unter Belassung eines Spalts nebeneinander angeordnet und das Kühlelement ist als Kühlplatte ausgebildet, die den Spalt in zwei Teilspalten teilt. Dadurch ist der Bereich zwischen den beiden Wicklungsteilanordnungen zur Kühlung derselben von einem Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, durchströmbar. Durch das Kühlfluid werden die Wicklungsteilanordnungen und auch die Kühlplatte konvektiv gekühlt. Gleichzeitig geben die Wicklungsteilanordnungen Wärme durch Strahlung ab, die von der Kühlplatte aufgenommen werden, und dadurch nicht zur jeweils anderen Teilwicklungen gelangen. Durch die Kühlplatte sind die Wicklungsteilanordnungen thermisch gegeneinander abgeschirmt.

[0006] Die Kühlplatte kann aus einem Vollmaterial, beispielsweise einem Verbundwerkstoff, ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Kühlplatte jedoch Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlfluid auf. Die Kühlkanäle sind unter Berücksichtigung der gewählten Ausrichtung und Anordnung der Platte so geführt, dass sie möglichst gut von dem Kühlfluid durchströmbar sind. Mit durch die Kühlkanäle strömendem Kühlfluid ist die Kühlplatte selbst besonders gut kühlbar.

[0007] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Kühlelement vollständig aus elektrischem Isolierstoff gebildet. Bei dieser Ausgestaltung ist eine gute Kühlung bei hoher Spannungsfestigkeit zwischen den Wicklungsteilanordnungen erreicht.

[0008] Das Kühlelement kann aus einem gut wärmeleitenden Material gebildet sein. Insbesondere bieten sich dafür Metalle an. Vorzugsweise ist das Kühlelement aus Metall mit einem elektrischen Isolierstoff als Überzug gebildet. Dadurch weist das Kühlelement die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls auf und gleichzeitig wird durch die isolierende Wirkung des Überzugs eine Verschlechterung wichtiger elektrischer Eigenschaften der Wicklungsanordnung, wie beispielsweise der Spannungsfestigkeit, vermieden.

[0009] Bei einer dritten Ausgestaltung kann das Kühlelement auch vollständig aus einem Metall gebildet sein. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dort an, wo nur geringe Anforderungen an die Spannungsfestigkeit bestehen, oder keine besonderen Anforderungen an die Abmessungen der Wicklungsanordnung bestehen, so dass der Abstand zwischen den Wicklungsteilanordnungen so gewählt werden kann, dass die Spannungsfestigkeit die vorgeschriebenen Anforderungen erfüllt.

[0010] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Wicklungsteilanordnungen Bestandteile eines Transformators und umschließen jeweils einen Kernschenkel eines geschlossenen Transformatorkerns, wobei das Kühlelement im Fenster des Transformatorkerns angeordnet ist.

[0011] Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die erfindungsgemäße elektrische Wicklungsanordnung näher erläutert. Es zeigen schematisiert und teilweise nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Transformator mit der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung,

Figur 2 die in Figur 1 angegebene Schnittdarstellung des Transformators und

Figur 3 einen Transformator mit einer elektrischen Anordnung mit Rechteckwicklungen entsprechend der in Figur 1 spezifizierten Schnittdarstellung.

[0012] Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

[0013] In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Transformator 1 gezeigt, der hier als Drehstromtransformator ausgeführt ist. Der Transformator 4 weist eine Wicklungsanordnung 2 mit Wicklungsteilanordnungen 3 bis 5 auf, die jeweils stehend angeordnet sind und die jeweils einen Kernschenkel 6, 7 bzw. 8 eines über Joche 9A und 9B geschlossenen Transformatorkerns 9 umschließen. Jede der Teilwicklungsanordnungen 3 bis 5 weist jeweils eine Oberspannungswicklung 10, 11 bzw. 12 und eine Unterspannungswicklung 13, 14 bzw. 15 auf. Jede Unterspannungswicklung 13, 14 bzw. 15 ist stehend innerhalb ihrer zugehörigen Oberspannungswicklung 10, 11 bzw. 12 angeordnet. Zwischen jeder Oberspannungswicklung 10, 11, 12 und ihrer zugehörigen Unterspannungswicklung 13, 14 bzw. 15 ist ein Zwischenraum 16, 17 bzw. 18 zur Durchströmung mit einem Kühlfluid, hier Kühlluft 19, - wie mit Pfeilen angedeutet - belassen. Ebenso ist zwischen den Wicklungsanordnungen 3 und 4 sowie 4 und 5 jeweils ein Spalt 22 bzw. 23 zur Durchströmung mit Kühlluft 19 belassen.

[0014] Zur verbesserten Kühlung der Wicklungstanordnungen 3, 4, 5 der Wicklungsanordnung 2 ist zwischen den nebeneinander angeordneten Wicklungsteilanordnungen 3 und 4 bzw. 4 und 5 jeweils ein Kühlelement 20 bzw. 21 vorgesehen. Die Kühlelemente 20 und 21 sind vorliegend jeweils als Kühlplatte ausgeführt (siehe auch Figuren 2 und Figur 3, Bezugszeichen 48 und 49). Die Kühlelemente 20 und 21 teilen jeweils einen der Spalte 22 bzw. 23 in Teilspalten 22a, 22b bzw 23a, 23b.

[0015] Zur Kühlung der Wicklungen 10 bis 15 der Teilwicklungsanordnungen 3 bis 5 werden die Zwischenräume 16 bis 18 und die Teilspalten 22a, 22b und 23a, 23b von Kühlluft 19 durchströmt. Dabei wird von den Wicklungen 10 bis 15 Wärme unmittelbar an die Kühlluft 19 durch Konvektion abgegeben. Darüber hinaus geben die Wicklungen 10 bis 15 Wärme in Form von Strahlung an die Umgebung ab. Teile in der Umgebung, wie beispielsweise der Kernschenkel 6, nehmen diese Strahlung auf und werden dadurch erwärmt. Auch erwärmen die Wicklungen 10 bis 15 sich durch ihre Wärmestrahlung mehr oder weniger stark gegenseitig. Die verbesserte Kühlung mit den Kühlelementen 20 und 21 wird anhand des Kühlelementes 20 erläutert. Entsprechendes gilt für das Kühlelement 21. Damit die Wicklungsteilanordnungen 3 und 4 - speziell deren Oberspannungswicklungen 10 und 11 sich möglichst nicht gegenseitig durch Abgabe von Wärmestrahlung erwärmen, ist das zwischen diesen angeordnete Kühlelement 20 vorgesehen. Es befindet sich damit dort zwischen den beiden Wicklungsteilanordnungen 3 und 4, wo sich diese bzw. deren Oberspannungswicklungen 10 und 11 am nächsten kommen (s. auch Figuren 2 und 3). Das Kühlelement 20 nimmt die ansonsten von der einen Oberspannungswicklung 10 zur anderen Oberspannungswicklung 11 und umgekehrt abgegebene Wärmestrahlung auf und wird dadurch erwärmt. Gleichzeitig wird das Kühlelement 20 durch die Teilspalten 22a und 22b strömende Kühlluft 19 konvektiv gekühlt. Insoweit sind also die Oberspannungswicklungen 10 und 11 und damit die Wicklungsteilanordnungen 3 und 4 durch das Kühlelement 20 gegeneinander thermisch abgeschirmt und im Vergleich zum Stand der Technik die mit Kühlluft 19 kühlbare Fläche vergrößert. Durch die thermische Abschirmung mit dem Kühlelement 20 erwärmen sich also die Oberspannungswicklung 10 und die Oberspannungswicklung 11 nicht mehr gegenseitig, so dass sie insgesamt eine geringere Betriebstemperatur annehmen, also im Vergleich zum Stand der Technik besser gekühlt sind. Gleiches gilt für das Kühlelement 20, das die Oberspannungswicklung 11 und die Oberspannungswicklung 12 gegenseitig thermisch abschirmt.

[0016] Die Kühlelemente 20 und 21 sind vorliegend jeweils aus einer Metallplatte 24 bzw. 25 gebildet, die jeweils mit einem Überzug aus Isolierstoff 26 bzw. 27 versehen ist. Als Metalle kommen hierbei Aluminium oder Transformatorblech und als wärmeleitender Isolierstoff beispielsweise Polyester, Hartpapier oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) in Frage.

[0017] Die Kühlelemente 20 und 21 sind in den durch den Transformatorkern 9 gebildeten Fenstern 30 bzw. 31 angeordnet.

[0018] Die Kühlelemente 20 und 21 sind jeweils mit Kühlkanälen 28 bzw. 29 (s. Figur 2) zur Durchströmung mit Kühlluft 19 versehen. Dadurch sind die Kühlelemente 20 und 21 besonders effektiv durch die Kühlluft 19 kühlbar.

[0019] In Figur 2 ist der Transformator 1 in der in Figur 1 spezifizierten Schnittebene gezeigt. Dort ist gut zu erkennen, dass die Kühlelemente 20 und 21 jeweils als Kühlplatten ausgebildet sind und die zur Durchströmung mit Kühlluft 19 vorgesehenen Kühlkanäle 28 bzw. 29 aufweisen. Die Wicklungsteilanordnungen sind jeweils mit kreiszylindrischen Wicklungen 10 bis 15 ausgebildet.

[0020] Deutlich ist auch hier zu erkennen, dass sich die Kühlelemente 20 und 21 jeweils symmetrisch zwischen den diese jeweils direkt benachbarten Wicklungsteilanordnungen 3 und 4 bzw. 4 und 5 angeordnet sind.

[0021] In Figur 3 ist eine zur in Figur 1 mit II bezeichneten Schnittansicht entsprechende Darstellung für einen Transformator 1a mit einer Wicklungsanordnung 2a mit drei Wicklungsteilanordnungen 32 bis 34 dargestellt. Jeder der Wicklungsteilanordnungen 32 bis 34 weist entsprechend zu den Wicklungsteilanordnungen 3 bis 5 gemäß Figur 1 eine Oberspannungswicklung 35, 35 bzw. 37 auf, die jeweils eine Unterspannungswicklung 38, 39 bzw. 40 koaxial umgibt. Zwischen den Oberspannungswicklungen 35 bis 37 und der entsprechend zugehörigen Unterspannungswicklung 38 bis 40 ist jeweils ein Zwischenraum 41, 42 bzw. 43 zur Durchströmung mit Kühlluft 19 belassen. Jede Wicklungsanordnung 32 bis 34 umgibt einen Kernschenkel 44, 45 bzw. 46 eines Transformatorkerns, der dem Transformatorkern 9 entspricht und in sich geschlossen ist. Im Unterschied zum Transformator 1 bzw. zur Wicklungsanordnung 2 sind die Wicklungsteilanordnungen 32 bis 34 mit Wicklungen 35 bis 40 mit jeweils rechteckigem Querschnitt ausgeführt. Entsprechend sind auch die Kernschenkel 44 bis 46 des Transformatorkerns 47 mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet.

[0022] Zwischen den Wicklungsteilanordnungen 32 und 33 bzw. 33 und 34 ist jeweils ein den Kühlelementen 20 und 21 ähnliches Kühlelement 48 bzw. 49 angeordnet, das jeweils ebenfalls als Kühlplatte ausgebildet ist. Im Unterschied zu den Kühlelementen 20 und 21 sind die Kühlelemente 48 und 49 jeweils aus einem Vollmaterial gebildet. Das Vollmaterial kann ein Metall oder auch ein Isolierstoff - wie auch schon in der Beschreibung zu Figur 1 angegeben - sein. Durch diese Ausführung sind die Kühlelemente besonders einfach herstellbar. Selbstverständlich sind diese Kühlelemente 48 und 49 auch bei der Wicklungsanordnung 2 nach Figuren 1 und 2 anstelle der Kühlelemente 20 und 21 anwendbar. Ebenso können die Kühlelemente 48 und 49 wie die Kühlelemente 20 und 21 ausgeführt sein.

[0023] Die Wahl der rechteckigen Querschnitte für die Wicklungen 35 bis 40 und der Kernschenkel 44 bis 46 ermöglicht ein besonders kompakten Aufbau des Transformators 1a. Dabei kann der Transformator 1A hinsichtlich der Materialkosten optimiert werden. Zur weiteren Erläuterung wird insbesondere auch die Wicklungsteilanordnung 34 und dabei speziell auch deren Oberspannungswicklung 37 und den Kernschenkel 46 den die Wicklungsteilanordnung 34 umgibt, eingegangen. Sinngemäß gelten die weiteren Ausführungen auch für die anderen Wicklungsteilanordnungen 32 und 33 sowie deren Kernschenkel 4 bzw. 45.

[0024] Bei der Optimierung wird die Gesamtbreite B3 eingestellt. Geht man davon aus, dass die Querschnittsfläche der Kernschenkel 44, 45, 46 jeweils konstant bleiben soll, so nimmt mit sinkender Gesamtbreite B3 die Länge L2 des Kernschenkels 46 und damit auch die Länge L1 der Oberspannungswicklung 37 sowie die entsprechende Abmessung der Unterspannungswicklung 40 zu. Dadurch nimmt mit sinkender Gesamtbreite B3 die Menge des verwendeten Kernmaterials ab, weil die sich über die Gesamtbreite B3 erstreckenden Joche des Transformatorkernes 47 (entsprechend den in Figur 1 dargestellten Jochen 9A und 9 B des Transformatorkerns 9) kürzer werden. Gleichzeitig nimmt jedoch die Menge des verwendeten Leitermaterials, aus denen die Wicklungsleiter der Wicklungen 37 und 40 jeweils gebildet werden zu, weil die Länge L1 der Oberspannungswicklung 37 und die entsprechende Abmessung der Wicklung 40 zunimmt. Die Materialmengen für das Wicklungsleitermaterial und das Kernmaterial verhalten sich also gegenläufig bei sich ändernder Gesamtbreite B3.

[0025] Da davon auszugehen ist, dass für eine bestimmte Mengeneinheit des Kernmaterials und der gleichen Mengeneinheit des Leitermaterials der Wicklungen unterschiedliche Kosten anfallen, lassen sich die Gesamtbreite B3 und damit die Maße B1 und B2, L1 und L2 und die entsprechenden Abmessungen der Unterspannungswicklung 40 sowie die entsprechenden Abmessungen der Wicklungsteilanordnungen 32 und 33 so wählen, dass die Gesamtkosten für das Leitermaterial und das Kernmaterial am geringsten sind.

[0026] Allerdings weisen bei dieser rechteckigen Ausgestaltung die Wicklungsteilanordnung 32 und 33 bzw. 33 und 34 speziell deren Oberspannungswicklungen 35 und 36 bzw. 36 und 38 große einander zugewandte Flächen 50 und 51 bzw. 52 und 53 auf, über die die Oberspannungswicklungen 35 bis 37 jeweils Wärme zur jeweils gegenüberliegenden Oberspannungswicklungen 35 bis 37 abgeben. Durch die Anordnung der Kühlelemente 48 und 49 jeweils genau zwischen den Wicklungsteilanordnungen 32 und 34 werden die Wicklungsteilanordnungen 32 bis 34 gegeneinander thermisch abgeschirmt und die jeweils von den Oberspannungswicklungen 35 bis 37 abgegebene Wärme von den Kühlelementen 48 und 49 aufgenommen und an die Kühlluft 19 abgegeben. Durch diese thermische Abschirmung kann die Breite B3 des Transformators 1A kleiner gewählt werden als ohne das Vorsehen solcher Kühlelemente 48 und 49, da dann der jeweilige Abstand zwischen den Wicklungsteilanordnungen 32 bis 34 bzw. deren Oberspannungswicklungen 35 und 36 bzw. 36 und 37 größer gewählt werden müssen, damit ein Durchströmen mit Kühlluft 19 allein zu deren Kühlung im Nennbetrieb ausreicht und eine unzulässig hohe Erwärmung der Oberspannungswicklungen 35 bis 37 vermieden ist.

[0027] Die Optimierung der Breite B3 ist selbstverständlich auch bei Wicklungsteilanordnungen mit einem anderen nicht kreisförmigen Querschnitt, beispielsweise elliptischem Querschnitt, möglich.

[0028] Die Wicklungen 10 bis 15 sowie 35 bis 40 können jeweils als selbsttragende Wicklung mit einer Trockenisolation ausgebildet sein. Als Isoliermaterial kommt dabei insbesondere Gießharz oder Klebharz zum Einsatz; auch kann Glasfasermaterial zur Isolierung verwendet werden.

Ansprüche

1. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Wicklungsteilanordnungen (3,4;32,33),
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wicklungsteilanordnungen (3,4;32,33) ein Kühlelement (20;48) angeordnet ist.

2. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsteilanordnungen (3,4,;32,33) unter Belassung eines Spalts (22) nebeneinander angeordnet sind, und dass Kühlelement (20) als Kühlplatte ausgebildet ist, die den Spalt (22) in zwei Teilspalten (22A,22B) teilt.

3. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (20) Kühlkanäle (28) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid (19) aufweist.

4. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (48) vollständig aus elektrischem Isolierstoff besteht.

5. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) aus Metall mit einem elektrischen Isolierstoff als Überzug gebildet ist.

6. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (48) vollständig aus einem Metall gebildet ist.

7. Elektrische Wicklungsanordnung (2,2a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsteilanordnungen (3,4;32,33) Bestandteile eines Transformators (1,1A) sind und jeweils einen Kernschenkel (6,5,;44,45) eines geschlossenen Transformatorkerns (9;47) umschliessen, wobei das Kühlelement (20;48) im Fenster (30) des Transformatorkerns (9;47) angeordnet ist.

Zeichnung