[0001] Die Erfindung betrifft eine Transformatorwicklung, umfassend einen Bandleiter mit
rechteckähnlichem Querschnitt und Außenisolation, welcher in einer Vielzahl an sowohl
mehrlagig radial übereinander als auch axial benachbart angeordneten Windungen um
eine Wickelachse gewickelt ist, so dass ein hohlzylindrischer Wicklungskörper gebildet
ist.
[0002] Es ist allgemein bekannt, dass in Energieversorgungsnetzen Leistungstransformatoren
eingesetzt werden, beispielsweise um eine Spannungsebene von 30kV mit einer Spannungsebene
von 6kV zu koppeln. Die genannten Spannungsebenen sind für Energieversorgungsnetze,
welche auch Spannungsebenen von 380kV und höher aufweisen können, verhältnismäßig
gering. Häufig werden dort Trockentransformatoren eingesetzt, deren Nennleistung beispielsweise
einige 100kVA bis 10MVA und höher betragen kann. Aufgrund der relativ niedrigen Nennspannung,
insbesondere auf der Unterspannungsseite, ist je nach Nennleistung des Transformators
mit entsprechend hohen Strömen zu rechnen, beispielsweise auch mit mehreren hundert
Ampere.
[0003] Um diese hohen Ströme elektrisch leiten zu können, ist der Querschnitt des Wicklungsleiters
entsprechend hoch zu wählen. In diesem Zusammenhang hat sich die Verwendung eines
Wicklungsleiters mit rechteckigem Querschnitt als vorteilhaft erwiesen, weil so der
Füllfaktor des zur Verfügung stehenden Wickelfensters eines Transformatorkerns, auf
welchem die Transformatorwicklung angeordnet ist, gegenüber einem Wicklungsleiter
mit rundem Querschnitt in verbesserter Weise ausgenutzt wird. Der Füllfaktor ist bestimmt
durch das Verhältnis von mit Leitermaterial gefüllten und dem zur Verfügung stehendem
Raum für die Transformatorwicklung. Idealerweise ist der zur Verfügung stehende Raum
möglichst mit Leitermaterial gefüllt. Somit lässt sich die Leistung eines Transformators
bei gegebener Außenabmessung vorteilhaft steigern. Ein derartiger Wicklungsleiter
mit rechteckförmigem Querschnitt, welcher auch Bandleiter genannt wird, kann beispielsweise
eine Dicke von 7mm und eine Breite von 16mm aufweisen. Der Leiter als solcher ist
zumeist aus Kupfer oder Aluminium ausgeführt und von einer Isolationsschicht umgeben,
beispielsweise aus einem Isolationslack. Diese Isolationsschicht ist derart bemessen,
dass eine Spannungsbeanspruchung, wie sie im Betrieb der Wicklung zum Beispiel zwischen
zwei benachbarten Windungen auftritt, beispielsweise 100V, gehalten wird, wohingegen
bei aneinandergrenzenden Wicklungslagen die Spannungsbeanspruchung so groß ist, dass
noch in nachteiliger Weise eine zusätzliche Isolationsschicht zwischen benachbarten
Wickellagen einzubringen ist.
[0004] Zur Vermeidung oder zumindest Reduktion derartiger Isolationslagen ist es bei Wicklungsleitern
mit rundem Querschnitt weiterhin bekannt, Wicklungen im sogenannten Pilgerschrittverfahren
herzustellen, wie beispielsweise in der Patentschrift
DE 829334 beschrieben, dort allerdings für Wicklungen von weit geringeren Dimensionen als Transformatorwicklungen
für die genannten Leistungsklassen, sondern vielmehr für NF-Übertrager oder Zündspulen.
Hierbei wird nicht - wie sonst üblich - eine komplette Wickellage längs der gesamten
axialen Erstreckung der Spule gewickelt und dann auf die nächste Lage übergegangen.
Vielmehr wird beim Wickelvorgang durch eine Überlagerung einer axialen Hin- und Herbewegung
einer Wicklungsleiterführungsvorrichtung mit einer linearen Bewegung längs der Wickelachse
eine zumindest abschnittsweise schräge Anordnung von Wicklungsbereichen beziehungsweise
Wickellagen zur Wickelachse erreicht. Dies hat den Vorteil, dass die effektive Länge
der jeweiligen Wickellagen verkürzt ist und die Spannungsbeanspruchung zwischen den
Wickellagen damit entsprechend reduziert ist. Hierdurch können in vorteilhafter Weise
zusätzliche Isolationsschichten zwischen den jeweiligen Wickellagen entfallen, weil
typischerweise die Isolation des Wicklungsleiters hierfür ausreichend ist. Als nachteilig
erweist es sich jedoch, dass bedingt durch das Wickelverfahren an den axialen Enden
der Wicklung ein lagenweiser Abfall der Wicklungsdicke unvermeidbar ist, so dass in
den Stirnbereichen ungenutzte Bereiche gebildet sind und der Füllfaktor entsprechend
nachteilig reduziert ist.
[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Transformatorwicklung
bereitzustellen, welche die oben angegebenen Nachteile vermeidet und insbesondere
einen hohen Füllfaktor aufweist.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Transformatorwicklung der eingangs genannten
Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass durch radial übereinander angeordnete
Windungen jeweilige bündige radiale Spalten gebildet sind und der gewickelte Bandleiter
zumindest bei der Mehrzahl der Windungen bei einem Wechsel zu einer benachbarten Spalte
auch in eine benachbarte Wickellage geführt ist und umgekehrt, so dass parallele schräg
verlaufende Wicklungsscheiben gebildet sind.
[0007] Die Grundidee der Erfindung besteht darin, einen Wicklungsleiter mit rechteckigem
Querschnitt zu verwenden und derart anzuordnen beziehungsweise zu wickeln, dass sowohl
zusätzliche Isolationslagen vermieden sind als auch in den Stirnbereichen der Wicklung
ein hoher Füllfaktor gewährleistet ist. Zur Erreichung eines hohen Füllfaktors auch
in den Stirnbereichen der Transformatorwicklung ist eine matrixähnliche Anordnung
der Windungen des Wicklungsleiters um die Wickelachse vorgesehen, nämlich in bündigen
radialen Spalten des jeweiligen Leiterquerschnittes, wobei mehrere radiale Spalten
nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch ist der zur Verfügung stehende Wicklungsraum
maximal ausgenutzt, also ein hoher Füllfaktor erreicht. Eine derartige Anordnung ist
lediglich mit einem Wicklungsleiter mit rechteckigem Querschnitt möglich, nicht jedoch
mit einem Rundleiter.
[0008] Durch die erfindungsgemäße Wickelleiterführung, nämlich den vorzugsweise gleichzeitigen
Wechsel einer Zeile und einer Spalte nach Umlauf einer jeweiligen Windung in der jeweiligen
Wickelanordnung, sind schräg verlaufende parallele Wicklungsscheiben gebildet, deren
Länge kürzer ist als die Länge einer über die gesamte axiale Länge der Transformatorwicklung
durchgewickelten Wickellage. Zwischen benachbarten Wicklungsscheiben ist bei gleichzeitig
optimiertem Füllfaktor des Wickelfensters eine geringere Spannungsbeanspruchung gegeben
als zwischen benachbarten Wickellagen. Die Spannungsbeanspruchung zwischen benachbarten
Wicklungsleitern von verschiedenen Wicklungsscheiben oder Wickellagen entspricht dem
Spannungszuwachs pro Windung bei Betrieb der Wicklung multipliziert mit der Anzahl
der Windungen zur elektrischen Verbindungsstelle dazwischen. Je weiter die Windungen
von der Verbindungsstelle entfernt sind, desto höher ist die Spannungsbeanspruchung
aufgrund der dann erhöhten Windungsanzahl zur Verbindungsstelle. Schräge Wickellagen
sind aus geometrischen Gründen kürzer als die gesamte axiale Länge einer Transformatorwicklung
und begünstigen daher eine geringere Spannungsbeanspruchung. Eine zusätzliche Isolationsschicht
kann damit typischerweise entfallen oder zumindest dünner ausgeführt werden, was sich
wiederum positiv auf den Füllfaktor auswirkt, da der gewonnene Raum für die Anordnung
weiterer Windungen nutzbar oder die Wicklung auch entsprechend kleiner ausführbar
ist.
[0009] Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen
Transformatorwicklung ist der hohlzylindrische Wicklungskörper demgemäß an wenigstens
einem seiner beiden axialen Enden durch eine von bündig radial übereinander angeordneten
Windungen gebildeten Stirnfläche begrenzt um so den Füllfaktor, also das Verhältnis
von mit Leitermaterial gefüllten und zur Verfügung stehendem Raum, zu optimieren.
[0010] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung sind
an den axialen Enden des hohlzylindrischen Wickelkörpers verkürzte schräg verlaufende
Wicklungsscheiben gebildet, welche nicht über alle Wickellagen geführt sind. Dies
ist insbesondere in den Stirnbereichen des hohlzylindrischen Wickelkörpers vorteilhaft,
um so auch die Eckbereiche auszufüllen und damit den Füllfaktor weiter zu erhöhen
beziehungsweise eine durch eine von bündig radial übereinander angeordneten Windungen
gebildete Stirnfläche zu ermöglichen.
[0011] Einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Transformatorwicklung folgend weist
diese auch Windungen auf, bei denen der gewickelte Bandleiter bei einem Wechsel in
eine benachbarte Spalte in derselben Wickellage verbleibt, so dass ein axial verlaufender
Wickelbereich gebildet ist, dessen axiale Länge jedoch kürzer ist als die axiale Länge
des Wickelkörpers, wobei gemäß einer weiteren Erfindungsvariante wenigstens zwei axial
verlaufende Wickelbereiche radial übereinander angeordnet sind. Durch die Verkürzung
der Länge der axialen Wicklungsbereiche ist nämlich die Spannungsbeanspruchung zwischen
den jeweiligen Wicklungsbereichen vorteilhaft reduziert, so dass auch in diesem Fall
typischerweise auf eine zusätzliche Isolationsschicht verzichtet werden kann. Die
Mehrzahl der Windungen ist jedoch erfindungsgemäß in parallelen schräg verlaufenden
Wicklungsscheiben angeordnet. Der Hintergrund hierfür ist, dass die Dicke einer Transformatorwicklung
beziehungsweise eines durch den gewickelten Wicklungsleiter gebildeten Wicklungsquerschnitts
normalerweise deutlich geringer ist als die axiale Länge einer Transformatorwicklung.
Deshalb lässt sich in der schrägen Anordnung mit radialer Komponente relativ einfach
eine geringe Zahl an Windungen pro Wicklungsscheibe erzielen, welche zumindest im
axial mittleren Bereich der Transformatorwicklung üblicherweise der Anzahl der Wickellagen
entspricht. Dies wirkt sich vorteilhaft auf eine reduzierte Spannungsbelastung aus.
[0012] Eine weitere erfindungsgemäße Erfindungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen benachbarten Wicklungsscheiben und/oder radial übereinander angeordneten
axialen Wickelbereichen eine jeweilige Isolationsschicht vorgesehen ist. Dies ist
insoweit eine optionale Zusatzlösung für den Fall, dass die Isolation des Wicklungsleiters
nicht ausreichend ist für die Isolation zwischen benachbarten Wickellagen beziehungsweise
Wicklungsscheiben, beispielsweise aufgrund einer sehr hohen Nennspannung. Für den
Fall, dass eine derartige Isolationslage notwendig sein sollte, ist diese jedoch entsprechend
dünner auszuführen. Als Isolationsmaterial eignet sich beispielsweise ein gewickeltes
harzgetränktes (Glas-) Faserroving, welches dann im weiteren Fertigungsprozess der
Transformatorwicklung ausgebacken wird.
[0013] Gemäß einer weiteren Erfindungsvariante umfasst der hohlzylindrische Wickelkörper
eine weitere, galvanisch getrennte hohlzylindrische Wicklung, welche sich radial außen
oder auch radial innen anschließt. Dies ist beispielsweise eine Oberspannungswicklung,
welche mit der darunterliegenden und dann als Unterspannungswicklung genutzten Transformatorwicklung
bei Betrieb des Transformators zusammenwirkt.
[0014] Bevorzugter Weise ist hohlzylindrisch ausgestalteter Kühlkanal zwischen den beiden
Wicklungen vorgesehen, welcher bei Betrieb der Transformatorwicklung die entstehende
Verlustwärme abführt. Dieser kann selbstverständlich auch in Form von mehreren ringförmig
angeordneten segmentähnlichen Einzelkanälen erfolgen. Insbesondere bei Trockentransformatoren,
für die die erfindungsgemäße Wicklung typischerweise vorgesehen ist, stellt sich im
Gegensatz zu Öltransformatoren verstärkt die Aufgabe, die im Betrieb entstehende Verlustwärme
abzuführen. Bei Öltransformatoren fungiert das Isolationsmedium Öl gleichzeitig auch
als Kühlmedium.
[0015] Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Transformatorwicklung erschließen sich auch
für einen Transformator, umfassend wenigstens einen Transformatorkern und eine erfindungsgemäße
Transformatorwicklung. Vorzugsweise ist ein Transformator jedoch dreiphasig ausgeführt,
um in typischen Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden zu können.
[0016] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen
zu entnehmen.
[0017] Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung,
weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
[0018] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch eine exemplarische erste Transformatorwicklung,
- Fig. 2
- einen Teilschnitt durch eine exemplarische zweite Transformatorwick-lung,
- Fig. 3
- einen Bandleiter mit rechteckähnlichem Querschnitt sowie
- Fig. 4
- Seitenansicht auf Teil von einer dritten Transformatorwicklung.
[0019] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine exemplarische erste Transformatorwicklung 10.
Um eine Wickelachse 38 herum angeordnet ist eine hohlzylindrische Transformatorwicklung,
welche aus einer Vielzahl Windungen eines Wicklungsleiters gebildet ist, wobei der
Anfang des Wicklungsleiters mit der Bezugsziffer 12 und das Ende des Wickelleiters
mit der Bezugsziffer 14 gekennzeichnet ist. Der Wickelleiter ist in der Schnittdarstellung
matrixähnlich radial um die Wickelachse 38 angeordnet, also in jeweils bündigen radialen
Spalten 22, 24, 26 und jeweiligen benachbarten Wickellagen 16, 18, 20. Der Wickelsinn
des Wickelleiters - also nicht der Leiterverlauf an sich - ist mit einer gestrichelten
Linie gekennzeichnet, welche sich mäanderförmig zwischen Anfang 12 und Ende 14 des
Wickelleiters erstreckt. Die erste Windung beginnt in der Schnittansicht unten links
mit der Bezugsziffer 12 und geht an ihrem Ende, also nach 360°, über in die zweite
Windung, welche in derselben Wicklungslage 16 in der zweiten radialen Spalte 24 beginnt.
Im weiteren Wickelverlauf sind durch den jeweiligen Spalten- und Lagenversatz bedingt
parallele schräg verlaufende Wicklungsscheiben gebildet, von denen eine exemplarische
Wicklungsscheibe mit der Bezugsnummer 30 gekennzeichnet ist. Am Ende einer jeweiligen
Wicklungsscheibe erfolgt ein Wechsel zur jeweils benachbarten Wicklungsscheibe, wie
mit den Bezugsziffern 32, 34 und 36 angedeutet ist. In der Figur ist in radialer und
axialer Richtung ein Abstand zwischen benachbarten Windungen angedeutet, welcher in
der Realität aber nur wenn überhaupt dann nur marginal vorhanden ist. Der Wickelleiter
ist beispielsweise mit einer Schicht aus Isolationslack überzogen, so dass benachbarte
Windungen gegeneinander isoliert sind.
[0020] Im unteren Bereich der Figur ist die auf der anderen Seite der Rotationsachse 38
zwangsläufig vorhandene nahezu identische Querschnittskontur vereinfacht mit einem
Rechteck mit der Bezugsziffer 46 dargestellt. Der durch den Wicklungsleiter gebildete
hohlzylindrische Wicklungskörper ist in einen in der Form darauf angepassten hohlzylindrischen
Spulenkörper 40 eingepasst. Der innerhalb des Spulenkörpers 38 vorhandene Raum ist
durch die gewählte Wicklungsleiteranordnung in hohem Maße ausgenutzt, so dass auch
ein entsprechend hoher Füllfaktor gegeben ist. Die senkrecht zur Wickelachse verlaufenden
Stirnseiten sind an der Querschnittskontur mit den Bezugsziffern 42 und 44 angedeutet.
[0021] Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch eine exemplarische zweite Transformatorwicklung
50. Diese entspricht im Wesentlichen der Transformatorwicklung aus der vorherigen
Figur, weist aber einen geänderten Wickelsinn auf. Im linken Bereich sind innerhalb
der ersten drei linken bündigen radialen Spalten axial verlaufende Wicklungsbereiche
gebildet, wie mit den Bezugsziffern 58 und 60 angedeutet. Diese gehen an ihrer der
ersten Stirnfläche 64 der Transformatorwicklung abgewandten Seite über in schräg verlaufende
Wicklungsscheiben, welche mit den Bezugsziffern 52, 54, 56 angedeutet sind. Die Wicklungsscheibe
mit der Bezugsziffer 56 ist verkürzt, um so auch den in der Figur rechts oben dargestellten
Bereich der Transformatorwicklung auszufüllen und damit den Füllfaktor zu erhöhen.
Die zweite Stirnfläche der Transformatorwicklung ist mit der Bezugsziffer 62 angedeutet.
[0022] Fig. 3 zeigt einen Bandleiter 70 mit rechteckähnlichem Querschnitt, welcher einen
inneren Leiter 72 aus Kupfer beziehungsweise Aluminium aufweist und welcher von einer
Isolationsschicht 74 umgeben ist. Die Höhe eines derartigen Bandleiters beträgt beispielsweise
2mm bis 10mm und die Breite beispielsweise 7mm bis 30mm. Die Dicke der Isolationsschicht
beträgt - je nach Anforderungen - beispielsweise 50µm bis 200µm.
[0023] Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht auf einen Teil einer schematisch sehr vereinfacht
dargestellten dritten Transformatorwicklung 80. Um eine Wickelachse 82 angeordnet
sind in einem radialen Abstand und benachbart zueinander eine erste 84, eine zweite
86 und eine dritte 88 Windung eines Wicklungsleiters. Ein Lagenwechsel zwischen den
verschiedenen Windungen ist schematisch mit den Bezugsziffern 90 und 92 angedeutet.
Bezugszeichenliste
[0024]
- 10
- Schnitt durch exemplarische erste Transformatorwicklung
- 12
- Anfang des Bandleiters
- 14
- Ende des Bandleiters
- 16
- erste Wickellage
- 18
- zweite Wickellage
- 20
- dritte Wickellage
- 22
- erste radiale Spalte
- 24
- zweite radiale Spalte
- 26
- dritte radiale Spalte
- 30
- schräg verlaufende Wickelscheibe
- 32
- radial innen verlaufender Spaltenwechsel
- 34
- radial außen verlaufender Spaltenwechsel
- 38
- Wickelachse
- 40
- Spulenkörper
- 42
- erste Stirnfläche von erster Transformatorwicklung
- 44
- zweite Stirnfläche von erster Transformatorwicklung
- 46
- Querschnittskontur von erster Transformatorwicklung
- 50
- Teilschnitt durch exemplarische zweite Transformatorwicklung
- 52
- erste schräg verlaufende Wickelscheibe
- 54
- zweite schräg verlaufende Wickelscheibe
- 56
- dritte schräg verlaufende verkürzte Wickelscheibe
- 58
- erster axial verlaufender Wickelbereich
- 60
- zweiter axial verlaufender Wickelbereich
- 62
- zweite Stirnfläche von zweiter Transformatorwicklung
- 64
- erste Stirnfläche von zweiter Transformatorwicklung
- 70
- Bandleiter mit rechteckähnlichem Querschnitt
- 72
- metallischer Leiter
- 74
- Isolationsschicht
- 80
- Seitenansicht auf Teil von dritter Transformatorwicklung
- 82
- Wickelachse
- 84
- erste Windung
- 86
- zweite Windung
- 88
- dritte Windung
- 90
- erster Lagenwechsel des Leiters
- 92
- zweiter Lagenwechsel des Leiters
1. Transformatorwicklung (10, 50, 80), umfassend einen Bandleiter (12, 14, 70) mit rechteckähnlichem
Querschnitt und Außenisolation (74), welcher in einer Vielzahl an sowohl mehrlagig
(16, 18, 20) radial übereinander als auch axial benachbart angeordneten Windungen
(84, 86, 88) um eine Wickelachse (38, 82) gewickelt ist, so dass ein hohlzylindrischer
Wicklungskörper gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
durch radial übereinander angeordnete Windungen (84, 86, 88) jeweilige bündige radiale
Spalten (22, 24, 26) gebildet sind und der gewickelte Bandleiter (12, 14, 70) zumindest
bei der Mehrzahl der Windungen (84, 86, 88) bei einem Wechsel zu einer benachbarten
Spalte (22, 24, 26) auch in eine benachbarte Wickellage (16, 18, 20) geführt ist und
umgekehrt, so dass parallele schräg verlaufende Wicklungsscheiben (30, 52, 54, 56)
gebildet sind.
2. Transformatorwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Wicklungskörper an wenigstens einem seiner beiden axialen (38,
82) Enden durch eine von bündig radial übereinander angeordneten Windungen (84, 86,
88) gebildeten Stirnfläche (42, 44, 62, 64) begrenzt ist.
3. Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den axialen (38, 82) Enden des hohlzylindrischen Wickelkörpers verkürzte schräg
verlaufende Wicklungsscheiben (56) gebildet sind, welche nicht über alle Wickellagen
(16, 18, 20) geführt sind.
4. Transformatorwicklung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese auch Windungen (84, 86, 88) aufweist, bei denen der gewickelte Bandleiter (12,
14, 70) bei einem Wechsel in eine benachbarte Spalte in derselben Wickellage (16,
18, 20) verbleibt, so dass ein axial (38, 82) verlaufender Wickelbereich (58, 60)
gebildet ist, dessen axiale (38, 82) Länge jedoch kürzer ist als die axiale Länge
des Wickelkörpers.
5. Transformatorwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei axial (38, 82) verlaufende Wickelbereiche (58, 60) radial übereinander
angeordnet sind.
6. Transformatorwicklung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Wicklungsscheiben (30, 52, 54, 56) und/oder radial übereinander
angeordneten axialen Wickelbereichen (58, 60) eine jeweilige Isolationsschicht vorgesehen
ist.
7. Transformatorwicklung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Wickelkörpern eine weitere, galvanisch getrennte hohlzylindrische
Wicklung umfasst, welche sich radial anschließt.
8. Transformatorwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise hohlzylindrisch ausgestalteter Kühlkanal zwischen den beiden Wicklungen
vorgesehen ist.
9. Transformator mit wenigstens einer Transformatorwicklung nach einem der Ansprüche
1 bis 8.