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Dokumentenidentifikation DE102005008302A1 24.08.2006
Titel Transformatorkern mit magnetischer Abschirmung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Plötner, Christoph, Dr., 90592 Schwarzenbruck, DE
DE-Anmeldedatum 16.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005008302
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse H01F 27/36(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern mit einem Kerninneren aus magnetisierbarem Material. Magnetische Streuflüsse erzeugen in den äußeren Kernbereichen Wirbelströme, die zu Leistungsverlusten und lokal hohen Erwärmungen führen. Durch eine teilweise das Kerninnere umhüllende Abschirmung aus mindestens einem geschichteten magnetisierbaren Material werden die Streuflüsse kanalisiert und von dem Außenbereich des Kerninneren weggeführt. Dies führt zu einer starken Verringerung der Wirbelstrombildung im Kerninneren und verhindert somit starke lokale Erwärmungen des Transformatorkerns und Leistungsverluste.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern mit einem Kerninneren aus magnetisierbarem Material.

Beim Betrieb von Transformatoren entstehen neben dem im Kern kanalisierten magnetischen Hauptfluss auch magnetische Streuflüsse, die zum Teil senkrecht in die Schenkel des Transformatorkerns eintreten. Sehr häufig ist um die Außenseite des Kerninneren eine Spannvorrichtung angeordnet, die den geschichteten Kern und die den um den Kern angeordneten Spulenkörper unter axialem Druck hält.

Transformatorkern im Sinne der Erfindung ist jeder magnetisierbare Kern für die bestimmungsgemäße Verwendung in einer elektromagnetischen Maschine, wie z.B. einem Transformator oder einer Drossel. Kerninneres im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der magnetisierbare Teil des Transformatorskerns zur Führung des magnetischen Flusses.

Magnetische Streuflüsse erzeugen in den äußeren Kernsegmenten und/oder in der Spannvorrichtung Wirbelströme, die zu einer beträchtlichen lokalen Erwärmung des Kerns beziehungsweise der Spannvorrichtung führen können. Bisher wird diesem Problem dadurch begegnet, dass die äußeren Kernbereiche in Segmente kleiner Breite unterteilt und durch die Verwendung von schmalen oder geschlitzten Spannvorrichtungen die Leistungsverluste und die lokalen Erwärmungen reduziert werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass zwar die Leistungsverluste reduziert werden können, andererseits eine lokale Erwärmung, insbesondere bei Transformatoren mit hohen Leistungen, nicht verhindert wird.

Ebenfalls sind aus dem Stand der Technik Abschirmungen um den gesamten Spulenkörper bekannt. So beschreibt die DE 36 27 890 A1 einen Transformator mit einer magnetischen Abschirmung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abschirmung. Gemäß der dortigen Erfindung weist der Transformator ein dreischenkliges Blechpaket mit um den mittleren Schenkel gewickelten Transformatorwicklungen auf, wobei die magnetische Abschirmung aus einem Kupferkurzschlussband besteht, das quer zur Schenkellängsrichtung um das Blechpaket und die Wicklungen geführt ist. Die DE 39 40 025 A1 offenbart eine Abschirmwicklung für Transformatoren aus magnetisierbarem Material. Die erfindungsgemäße Abschirmwicklung wird zwischen zwei Wicklungsabschnitten eines Transformators gewickelt, wobei für die Abschirmwicklung ein magnetisierbares Material mit einer geringen Permeabilität verwendet wird. Nachteilig bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Wicklungen ist, dass zwar äußere Störeinflüsse auf den gesamten Spulenkörper verhindert werden, dass jedoch nicht magnetische Streuflüsse innerhalb des Spulenkörpers, insbesondere auf der Kernaußenseite, unterbunden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die auf der Außenseite des Kerninneren – und falls vorhanden innerhalb der Spannvorrichtung an der Außenseite des Kerninneren – einwirkenden magnetischen Streuflüsse zu reduzieren beziehungsweise zu verhindern.

Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafterweise wird um das Kerninnere zumindest teilweise eine Abschirmung angeordnet, wobei die Abschirmung einen schichtweisen Aufbau mit mindestens einem magnetisierbaren Material aufweist. Durch die Verwendung von geschichteten magnetisierbaren Materialien, wie zum Beispiel Elektroblechen, wird der Streufluss in die Bleche geführt und verursacht in der geschichteten Abschirmung nur geringe Leistungsverluste. Aufgrund der Führung der magnetischen Streuflüsse werden in der Außenseite des Kerninneren keine Wirbelströme erzeugt, so dass die Leistungsverluste und lokalen Erwärmungen innerhalb dieser Bereiche stark reduziert beziehungsweise gänzlich vermieden werden. Die Leistungsverluste innerhalb der Abschirmung und eine lokale Erwärmung sind gegenüber einem Transformatorkern ohne erfindungsgemäße Abschirmung stark reduziert.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Kerninneren und der Abschirmung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere angeordnet. Die Verwendung eines geschichteten Kerninneren erfordert die permanente Aufrechterhaltung eines axialen Druckes auf das geschichtete Kerninnere. Diese zumeist auch als Spannvorrichtungen bezeichneten Vorrichtungen sind unmittelbar am Kerninneren angeordnet. Aufgrund der Notwendigkeit einer hohen Festigkeit bestehen diese Vorrichtungen zur Erzeugung eines axialen Druckes häufig aus elektrisch und magnetisch leitenden Materialien, wie zum Beispiel Stahl oder anderen metallischen Blechen. Innerhalb dieser Spannvorrichtungen zur Erzeugung eines axialen Druckes werden bei magnetischen Störeinflüssen lokal hohe Erwärmungen und Leistungsverluste durch induzierte Wirbelströme hervorgerufen. Herkömmlicherweise wird die Spannvorrichtung aus geschichteten Metallen aufgebaut, die – wie die Außenbereiche des Kerninneren – zusätzlich in Segmente unterteilt sind. Dies minimiert gemäß dem Stand der Technik die maximal mögliche Leistung des Transformators unter Verwendung des beschriebenen Transformatorkerns.

Bevorzugt ist die Abschirmung in Segmente unterteilt. Die Unterteilung der Abschirmung in Segmente erlaubt zum einen einen schnellen und modularen Aufbau der Abschirmung um das Kerninnere beziehungsweise um die Vorrichtung zur Ausübung des axialen Druckes. Der segmentenweise Aufbau der Abschirmung erlaubt ebenfalls eine an den Transformator direkt angepasste Abschirmung zu erstellen. Hierdurch wird die Gefahr großer lokaler Überhitzungen der Vorrichtung zur Erzeugung des axialen Druckes und/oder der äußeren Kernbereiche verhindert. Es können so Transformatoren mit größeren Streuflüssen sicherer als bisher gebaut werden. Ebenfalls sind die Leistungsverluste bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Transformatorkerns wesentlich reduziert.

Weiterhin können größere Leistungen pro Transformatorschenkel realisiert werden. Der segmentierte Aufbau der äußeren Bereiche des Kerninneren beziehungsweise der Spannvorrichtung kann bei einem erfindungsgemäßen Transformatorkern vollständig entfallen, wodurch ein wesentlich einfacherer und kostengünstigerer Aufbau des Transformators realisierbar ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Länge der Abschirmung in axialer Richtung gleich oder größer als die Länge eines vorgesehenen Spulenkörpers um den Transformatorkern ist. Im Grenzfall kann die Abschirmung entlang des gesamten Transformatorschenkels angeordnet sein und so auch die negativen magnetischen Streueinflüsse auf die abschließenden Joch und weitere gegebenenfalls vorhandenen Konstruktionselemente reduzieren. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Orientierung des schichtweisen Aufbaus der Abschirmung parallel zu einer möglichen Streuflussrichtung eines Magnetfeldes ausgerichtet ist. Die Ausrichtung kann dabei hinsichtlich der innerhalb des Transformators erzeugten oder hinsichtlich einer äußeren möglichen Streuflussrichtung parallel ausgerichtet sein. Der magnetische Fluss wird idealer Weise entlang der Schichtung geführt und somit an der Spannvorrichtung beziehungsweise von den Außenbereichen des Kerninneren weggeführt.

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, dass das Kerninnere aus geschichteten Kernsegmenten aufgebaut ist und die Abschirmung entlang der Außenseite des äußersten Kernsegmentes oder entlang der Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Druckes angeordnet ist.

Weiterhin wird die Abschirmung gemeinsam mit dem Kerninneren mit einer – normalerweise isolierenden Bandage – fixiert. Innerhalb der Bandage ist die Abschirmung mit einem Isoliermaterial – zum Beispiel Pressspan oder Gießharz – zusätzlich fixiert und elektrisch isoliert. Idealer Weise ist das magnetisierbare Material der Abschirmung ein Elektroblech, wie es in elektromagnetischen Geräten verwendet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen zu entnehmen. Der Erfindungsgegenstand wird anhand der nachfolgenden Figuren eingehend erläutert. Es zeigt:

1 Schematische Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwie umliegendem Spulenkörper;

2a Schematische Querschnittsschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwei einstückigen Abschirmungen;

2b Schematische Querschnittszeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwei jeweils segmentweisen aufgebauten Abschirmungen.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns 1 entlang der axialen Ausrichtung des Transformatorkerns 1. Entlang der Außenseite des geschichteten Kerninneren 2 ist eine Spannvorrichtung 3 zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere 2 und die Spulenkörper 5 sichtbar. Um die Spannvorrichtung 3 ist eine Abschirmung 4 angeordnet, die ein Eindringen des Streuflusses – hervorgerufen von den elektrischen Strömen in dem umgebenden Spulenkörpern 5 – in das Kerninnere 2 und in die Spannvorrichtung 3. Kerninneres 2, Spannvorrichtung 3 und die Abschirmung 4 werden mit einer Bandage 6 fixiert. Die Bandage 6 erfüllt – bei entsprechender Materialwahl – als isolierende Umhüllung um das Kerninnere 2 eine weitere Fuktion. Die Längsachse entlang des Transformatorkerns 1 ist als gestrichelte Linie dargestellt.

Die Figuren 2a und 2b zeigen jeweils einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Transformatorkerns 1. Neben dem schichtweisen Aufbau der das Kerninnere 2 bildenden Kernsegmente ist eine das Kerninnere 2 umschließende Spannvorrichtung 3 deutlich sichtbar. Die Spannvorrichtung 3 kann in radialer Richtung entweder durchgehend oder segmentiert aufgebaut sein. An die Spannvorrichtung 3 gemäß der Figuren 2a und 2b schließt sich die Abschirmung 4 an. Wie in der Figur 2a dargestellt, kann die Abschirmung 4 einen schichtweisen Aufbau entlang der gesamten abzuschirmenden Fläche aufweisen. Alternativ kann gemäß Figur 2b ein segmentweiser Aufbau aus geschichteten Elementen der Abschirmung 4 im Hinblick auf einen modularen Aufbau des Transformatorkerns 1 und dessen Abschirmung vorteilhaft sein. Über eine äußere Bandage 6 wird die Abschirmung 4, die entweder den Transformatorkern 1 vollständig zumindest jedoch entlang der Ausrichtung des Joches umschließt, die Abschirmung 4 fixiert. Die Fixierung der Abschirmung 4 um das Kerninnere 2 kann alternativ über Verbindungselemente mit dem Kerninneren 2, mit der Spannvorrichtung 3 oder mit weiteren Befestigungselementen (nicht dargestellt) erfolgen. Auch eine Fixierung der Abschirmung 4 mittels der Materialfestigung der Abschirmung unter Zug oder Druck um das Kerninnere 2 bzw. die Spannvorrichtung 3 ist möglich.


Anspruch[de]
  1. Transformatorkern (1) mit einem Kerninneren (2) aus magnetisierbarem Material, dadurch gekennzeichnet, dass um das Kerninnere (2) eine Abschirmung (4) zumindest teilweise angeordnet ist, wobei die Abschirmung (4) einen schichtweisen Aufbau mit mindestens einem magnetisierbaren Material aufweist.
  2. Transformatorkern (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kerninneren (2) und der Abschirmung (4) eine Vorrichtung (3) zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere angeordnet ist.
  3. Transformator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (4) in Segmente unterteilt ist.
  4. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Abschirmung (4) in axialer Richtung gleich oder größer als die axiale Länge der um den Transformatorkern (1) Spulenkörper (5) ist.
  5. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ddadurch gekennzeichnet, dass der schichtweise Aufbau der Abschirmung (4) parallel zu einer möglichen Streuflussrichtung eines äußeren Magnetfeldes ausgerichtet ist.
  6. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kerninnere (2) mit geschichteten Kernsegmenten aufgebaut ist und die Abschirmung (4) entlang der Außenseite des äußersten Kernsegmentes angeordnet ist.
  7. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (4) mittels einer Bandage (6) um die Abschirmung (4) fixiert ist.
  8. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isoliermaterial zwischen der Abschirmung (4) und der Bandage (6) die Abschirmung (4) fixiert.
  9. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material der Abschirmung (4) Elektrobleche sind ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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