Transformatorkern

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern für einen Leistungstransformator, der wenigstens zwei zumindest annähernd kongruent und parallel zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist, wobei in dem Grundriss wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung vorgesehen ist und die Transformatorkernscheiben zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromagnetischem Material bestehen wobei der von den wenigstens zwei Transformatorkernscheiben gebildete Transformatorkern eine Wärmesenke aufweist, die von wenigstens einem Wärmerohr gebildet ist.

Beschreibung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern für einen Leistungstransformator, der wenigstens zwei zumindest annähernd kongruent und parallel zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist, wobei in dem Grundriss wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung vorgesehen ist und die Transformatorkernscheibe zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromagnetischen Material besteht, sowie einen Leistungstransformator mit einem derartigen Transformatorkern.

[0002] 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.

[0003] 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 einem magnetischen Kreis bilden.

[0004] Allerdings wir 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.

[0005] 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 Hystereserverlusten.

[0006] 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 Hystereserverluste möglichst klein zu halten, kommen bevorzugt Kernmaterialien mit sehr schmaler Hystereseschleife zum Einsatz.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] So sind aus der US 4,734,975 ein Verfahren zum Herstellen eines Transformatorkerns sowie ein gemäß diesem Verfahren gewickelter Transformatorkern aus amorphem Material bekannt geworden.

[0010] Da das zumeist als Flachbandmaterial lieferbare amorphe Material mechanisch sehr empfindlich ist, sind auch die lieferbaren Breiten des Bandmaterials begrenzt. Dementsprechend sind auch die mechanisch realisierbaren Baugrößen eines Transformatorkerns beschränkt sowie die erzielbaren Nennleistungen von Transformatoren mit einem Kern aus amorphem Werkstoff.

[0011] Während Trockentransformatoren mit konventionellem Kern Leistungswerte von bis zu 20MVA und darüber aufweisen, liegen die aktuellen Grenzwerte für mit einem Kern aus amorphem Werkstoff bei etwa 1 MVA.

[0012] In der DE 09006635 ist ein aus amorphem Material gebildeter Transformatorkern für einen Leistungstransformator vorgeschlagen worden, der eine höhere Nennleistung als derartige Transformatoren seither aufweist.

[0013] Darüber hinaus treten bei Transformatoren mit amorphen Kernen hohe Geräuschentwicklungen auf, die durch spezielle Geräuschdämm-Maßnahmen verringert werden müssen. Um der bei erhöhter Leistungsdichte derartiger Transformatoren mit Kernen aus amorphem Material entstehenden Wärmebelastung infolge der stromabhängigen Wärmeentwicklung zu begegnen, sind Kühlmaßnahmen erforderlich, die aber nicht zu Lasten der Geräuschdämmung gehen soll.

[0014] So hat sich bereits gezeigt, dass ein Kühlkanal zwischen zwei Kernen mit Öffnungen für Luftfluss die Effizienz der Geräuschdämmungsmaßnahme deutlich reduziert.

[0015] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen Transformatorkern aus amorphem Material anzugeben, welcher es ermöglicht, die seither erzielbaren Nennleistungen eines Leistungstransformators mit amorphem Kern zu erhöhen und gleichzeitig Vorkehrungen für eine ausreichend Kühlung zu treffen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen entsprechenden Leistungstransformator anzugeben.

[0016] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Demgemäß ist vorgesehen, dass der von den wenigstens zwei Transformatorkernscheiben gebildete Transformatorkern eine Wärmesenke aufweist, die von wenigstens einem Wärmerohr gebildet ist.

[0017] Als Wärmerohre werden einfache Geräteanordnungen bezeichnet, welche grundsätzlich ein hermetisch gekapseltes Volumen enthalten, welches meist in Form eines Rohres ausgebildet ist. Es ist mit einem entsprechend dem Einsatzort ausgewählten gut verdampfbaren Arbeitsmedium, zum Beispiel Wasser, gefüllt, welches das Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem und zum größeren Teil in dampfförmigem Zustand ausfüllt. In dem Wärmerohr befinden sich dementsprechend je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke.

[0018] Dabei beginnt das Arbeitsmedium bei Wärmeeintrag zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensator, wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenkung) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben.

[0019] Es gibt prinzipiell zwei mögliche Ausführungsversionen für ein Wärmerohr, nämlich zum einen die sogenannte "Heat pipe" und zum anderen den sogenannten "Thermosiphon". Hierbei ist der Begriff Wärmerohr nicht als Bezeichnung für die geometrische Form zu verstehen, sondern er betrifft allein die technische Funktion. Dementsprechend kann ein entsprechend der Erfindung zum Einsatz vorgesehenes Wärmerohr auch eine plattenähnliche Form aufweisen, ohne dass die Funktion als Wärmerohr beeinträchtigt ist.

[0020] Als Heatpipe wird ein Wärmerohr bezeichnet, welches auf der Innenseite mit einer Kapillarstruktur versehen ist. Diese Kapillarstruktur erlaubt es, dass Kondensat auch gegen die Gravitationskraft vom Kondensator zum Verdampfer, der die Wärmesenke bildet, zu transportieren. Man gewinnt damit einen weiteren Freiheitsgrad bei der relativen Platzierung von Kondensator und Verdampfer, muss allerdings dafür hinnehmen, dass die Leistungsfähigkeit des Wärmerohrs durch den Kapillarprozess beschränkt ist.

[0021] Der Thermosiphon ist ein Wärmerohr, bei welchem das Kondensat durch die Gravitationskraft zum Verdampfer zurücktransportiert wird. Hier muss der Kondensator oberhalb des Verdampfers angeordnet sein. In der Regel ist der Thermosiphon im Vergleich zur Heatpipe preiswerter und erlaubt bei gleichem Querschnitt eine höhere Wärmetransportrate.

[0022] Die hier verwendeten Begriffe Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke und die jeweils zugeordneten Bereiche beziehen sich auf das System Wärmerohr, während bei Anwendung auf das System Wärmerohr - Transformator die Wärme aufnehmende Seite des Wärmerohres für den Transformator eine Wärmesenke darstellt.

[0023] Vorzugsweise ist die im Transformatorkern angeordnete Wärmesenke von einem als Heatpipe oder Thermosiphon ausgebildeten Wärmerohr vorgesehen, dass heißt ohne mechanische Mittel die Wärme aus dem Transformatorkern abführt.

[0024] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Wärmerohre vorgesehen, die jeweils zwischen je zwei Transformatorkernscheiben angeordnet sind.

[0025] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmerohre in die Geräuschdämmung des Transformators einbezogen sind, dass heißt, dass sie mit dem größtmöglichen Teil der als Wärmesenke wirkenden Oberfläche am Transformatorkern anliegen, um so eine möglichst große Kontaktfläche mit diesem zu erzielen, und andererseits die aus Lärmschutzgründen vorgesehene Geräuschdämmung nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen. Kommentar: Für einen guten Wärmetransport ist eine feste Verbindung von Wärmequelle zu Wärmesenke (Verdampferteil des Wärmerohrs) absolut zwingend, d.h. relative Bewegungen/ Schwingungen sollten immer vermieden werden.

[0026] Um diese Maßnahme auch materialseitig zu unterstützen ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmerohre aus sowohl wärmeleitende als auch geräuschdämmende Eigenschaften aufweisendem Material gefertigt sind. Ein solches Material, welches schlechtere Wärmeleitungseigenschaften und stattdessen als Kompromiss verbesserte Geräuschdämmungseigenschaften besitzt, kann beispielsweise durch Kombination entsprechender Materialien, zum Beispiel in Sandwichbauweise, erhalten werden. Eine weitere Maßnahme zur Unterstützung der Geräuschdämmung des Transformatorkerns ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Transformatorkernscheiben, zwischen denen das wenigstens ein Wärmerohr angeordnet ist, zumindest teilweise mittels Distanzelementen beanstandet sind. Vorzugsweise sind die Distanzscheiben entweder aus geräuschdämmendem Material umgeben, so dass auch hierdurch die ansonsten erhebliche Geräuschentwicklung wesentlich abgesenkt werden kann.

[0027] Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Wärmerohr so ausgestaltet, dass es mit einer Wärmeabstrahlfläche versehen ist, welche an der Peripherie des Transformatorkerns angeordnet ist. Gleichermaßen kann auch der als Wärmesenke wirkende Bereich des Wärmerohres eine angepasste, als Wärmeaufnahmefläche ausgebildete Gestaltung aufweisen.

[0028] Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Wärmetauscherrohr plattenförmig ausgebildet ist, um so die wirksame Wärme aufnehmende Oberfläche möglichst groß zu gestalten und hierdurch die Kühlwirkung zu verbessern.

[0029] Entsprechend der Erfindung ist auch ein Leistungstransformator vorgesehen, der mit einem Transformatorkern und wenigstens einer Wicklung entsprechend den zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet ist.

[0030] Entsprechend einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Leistungstransformator dadurch gekennzeichnet, dass er als ein Drehstromtransformator mit jeweils wenigstens drei Primär- und drei Sekundärwicklungen ausgebildet ist.

[0031] Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0032] Anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

[0033] Es zeigen:

Fig. 1

eine Schrägansicht auf eine Anordnung bestehend aus einer schematisch dargestellten Wicklung mit Wicklungskern und darin angeordneter Wärmesenke und

Fig. 2

eine Frontansicht auf eine halbierten Anordnung gemäß Fig. 1.

[0034] In Fig. 1 ist eine aus einer Wicklung 12 mit darin angeordnetem Transformatorkern 14 gebildete Anordnung 10 für einen nicht näher gezeigten Transformator in Schrägansicht wiedergegeben. Der in dieser Anordnung 10 verwendete Transformatorkern 14 besteht aus einem amorphem Kern-Material und ist in etwa zwei gleich große Teilkerne geteilt, deren Trennflächen jeweils an einem dazwischen angeordneten Kühlkörper 16 anliegen und so infolge des innigen Kontaktes einen optimalen Wärmeübergang in den Wärmeleiterkörper 16 sicherstellen.

[0035] Vorzugsweise ist der Kühlkörper 16 aus besonders wärmeleitfähigem Material vorgesehen, zum Beispiel Aluminium oder Material mit einer ähnlich guten Wärmeleitfähigkeit λ, die wenigstens λ ≥ 150 W/mK beträgt.

[0036] In den Kühlkörper 16 wiederum sind Ausnehmungen 18 für Wärmetauscherelemente 20 eingeformt, in welche gemäß der Erfindung vorzugsweise sogenannte Wärmerohre 20 eingeführt sind.

[0037] Derartige Wärmerohre können unterschiedliche Form aufweisen, wobei die Ausnehmungen 18 in dem Kühlkörper 16 an die jeweilige Form angepasst sind, um eine möglichst große Kontakt- und damit Wärmeübergangsfläche zu erhalten. Das heißt, dass bei in die Ausnehmungen 18 eingesetzten Wärmetauscherelementen 20 praktisch kein Abstand zwischen den Innenoberflächen der betreffenden Ausnehmung 18 und dem darin eingesetzten Wärmerohr 20 besteht.

[0038] Auf diese Weise ist die erfindungsgemäß vorgesehene Möglichkeit verwirklicht, die im Transformatorkern 14 aufgenommene Wärme aus der jeweiligen Wicklung 12 des betreffenden Transformators auf einfache und unproblematische Weise abzuführen.

[0039] In Fig. 2 ist eine weitere Abbildung einer dieses erfindungsgemäße Kühlprinzip umsetzenden Anordnung dargestellt. Es handelt sich dabei um die bereits in Fig. 1 gezeigte Anordnungen, das heißt um eine Wicklungsanordnung, die aus den gleichen Teilen gebildet ist und dementsprechend mit den gleichen jeweiligen Bezugsziffern versehen ist, wobei im Unterschied zur Fig. 1 hier die gesamte Anordnung mittig geteilt ist, so dass die gesamte Querschnittsfläche der Anordnung gezeigt ist.

[0040] Dementsprechend besteht auch hier der in der Anordnung 10 verwendete Transformatorkern 14 aus einem amorphen Kern-Material, wobei nur einer der beiden etwa gleich großen Teilkerne gezeigt ist. Dessen Trennfläche ist überdeckt von dem an sich zwischen den Teilkernen angeordneten Kühlkörper 16, der so infolge des innigen Kontaktes einen optimalen Wärmeübergang in den Wärmeleitkörper 16 sicherstellt.

[0041] Ferner ist gut erkennbar, dass das in der hierfür vorgesehenen Ausnehmung 18 befindlichen Wärmetauscherelement, das gemäß der Erfindung als Wärmerohr ausgebildet ist, nur etwa bis zur halben Höhe des im gezeigten Beispiel quaderförmigen Transformatorkerns 14 eingeführt ist, so dass hier der größere Teil des Wärmerohres 20, mindestens aber dessen oberen Hälfte, aus dem Transformatorkern 14 herausragt und die hiervon aufgenommene Wärme an die Umgebung oder an eine andere Wärmesenke abgibt. Das oder die Wärmerohr(e) 20 können allerdings ebenfalls die ganze Höhe des Transformatorkerns 14 beanspruchen. Auch kann ein rechteckiges oder quadratisch oder plattenförmig ausgeformtes Wärmerohr zwischen die zwei oder auch mehr Transformatorkerne 14 eingesetzt sein.

Ansprüche

1. Transformatorkern (14) für einen Leistungstransformator, der wenigstens zwei zumindest annähernd kongruent und parallel zueinander angeordnete Transformatorkernscheiben (14) mit einem zumindest ähnlichen Grundriss aufweist, wobei in dem Grundriss wenigstens jeweils eine Durchgangsöffnung (18) vorgesehen ist und die Transformatorkernscheiben zumindest überwiegend aus einem amorphen ferromagnetischem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass
der von den wenigstens zwei Transformatorkernscheiben (14) gebildete Transformatorkern eine Wärmesenke aufweist, die von wenigstens einem Wärmerohr (20) gebildet ist.

2. Transformatorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (20) als Heatpipe oder als Thermosiphon ausgebildet ist.

3. Transformatorkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmerohre (20) vorgesehen sind, die jeweils zwischen zwei oder mehr Transformatorkernscheiben (14) angeordnet sind.

4. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (20) in die Geräuschdämmung des Transformators einbezogen sind.

5. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (20) aus sowohl wärmeleitende als auch geräuschdämmende Eigenschaften aufweisendem Material gefertigt sind.

6. Transformatorkern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für das Wärmerohr vorzugsweise Kupfer beziehungsweise eine Kupferlegierung vorgesehen ist.

7. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Transformatorkernscheiben, zwischen denen das wenigstens eine Wärmerohr angeordnet ist, zumindest bereichsweise mittels Distanzelementen beabstandet sind.

8. Transformatorkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmerohr so ausgestaltet ist, dass es mit einer Wärmeabstrahlfläche versehen ist, welche an der Peripherie des Transformatorkerns angeordnet ist.

9. Leistungstransformator mit einem Transformatorkern und wenigstens einer Wicklung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wärmerohr rechteckig beziehungsweise quadratisch oder plattenförmig ausgebildet ist.

10. Leistungstransformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator als ein Drehstromtransformator mit jeweils wenigstens drei Primär- und drei Sekundärwicklungen ausgebildet ist.

Zeichnung