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1. Gebiet
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Transformatoren und insbesondere einen Verteil-Trockentransformator
mit einem gewickelten Kern aus amorphem Metall und einer im Grossen
und Ganzen rechteckigen eingekapselten Spule.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Herkömmliche Verteil-Trockentransformatoren
weisen eine runde oder ringförmige
offene gewickelte Spule und einen Kern der gewickelten oder gestapelten
Art aus Siliziumstahl oder amorphem Metall auf. Der Transformatorkern
weist typischerweise eine rechteckige Form auf, die ein rechteckiges
Fenster eingrenzt, in dem sich die Spule befindet. Die Ringform
der Spule erzeugt, was das Kernfenster anbetrifft, häufig eine
Fehlanpassung zwischen dem Kern und der Spule, d. h. die Form des
rechteckigen Fensters passt nicht mit der Form des Teilabschnitts
der Spule zusammen, die sich darin befindet. Diese Fehlanpassung
zwischen dem Kern und der Spule verursacht, dass der Transformator
und dessen Kosten bedeutend größer sind,
als es erforderlich wäre, wenn
der Transformator besser zusammenpassende Kern- und Spulenformen aufweisen würde.
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Gewickelte Kerne, die in Verteiltransformatoren
benutzt werden, ob aus Siliziumstahl oder amorphem Metall, sind
von rechteckigem Querschnitt und stimmen mit der runden Form der
Spule nicht überein.
Gestapelte Siliziumstahl-Transformatorenkerne können andererseits
einen kreuzförmigen
Querschnitt besitzen, der annähernd
mit der Ringform der Spule zusammenpassen kann. Aufgrund der hohen Kosten
für das
Gießen
oder Schneiden eines Streifens aus amorphem Metall auf verschiedene
Breiten ist es unpraktisch, einen gestapelten Kern aus amorphem
Metall mit einem kreuzförmigen
Querschnitt zu bilden.
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Aus diesen Gründen passen bei der Produktion
von Verteil-Trockentransformatoren mit Kernen aus amorphem Metall,
ob gewickelt oder gestapelt, die Querschnittsform des Kerns (d.
h. rechteckig) und die Form der Spule (d. h. rund) nicht zusammen.
Die Verwendung des Kernmaterials ist unwirtschaftlich, und die Transformatoren
sind zu groß.
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Verteiltransformatoren können an
den verschiedensten Orten installiert werden und extremen Umweltbedingungen,
wie z. B. teilchenförmiger
Materie (Staub, Schmutz usw.), Feuchtigkeit, ätzenden Substanzen und dergleichen,
ausgesetzt sein, welche die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit
des Transformators beeinträchtigen.
Offene gewickelte Spulen bieten keinen Schutz vor den Einwirkungen solch
rauher Umgebungen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Verteil-Trockentransformator bereit, der einen gewickelten
Kern aus amorphem Metall und eine im Grossen und Ganzen rechteckige,
in Harz eingekapselte Spule aufweist. Der Kern weist eine im Grossen
und Ganzen rechteckige Querschnittsform auf, die gut mit der im
Grossen und Ganzen rechteckigen Form der in Harz eingekapselten
Spule zusammenpasst. Durch Anpassen der Form der Spule an den Querschnitt des
Kerns wird ein Verteil-Trockentransformator aus amorphem Metall
bereitgestellt, der billiger produziert werden kann, weniger Widerstand
und weniger Verlust aufweist, in dem weniger Spulenmaterial benötigt wird,
um die Spule zu wickeln, und der kompakter ist als Transformatoren,
die im Grossen und Ganzen runde oder kreisförmige Spulen aufweisen.
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Allgemein ausgedrückt schließt der Verteil-Trockentransformator
eine in Harz eingekapselte, im Grossen und Ganzen rechteckige Spule
ein, die einen im Wesentlichen geraden Teilabschnitt und einen Kern
aus amorphem Metall aufweist, der ein im Grossen und Ganzen rechteckiges
Kernfenster aufweist, welches darin eingegrenzt ist. Der Spule und dem
Kern sind eine solche Größe und Form
gegeben, dass die Form des im Wesentlichen geraden Teilabschnitts
der Spule im Wesentlichen mit der Form des Kernfensters übereinstimmt.
Wenn die Spule und der Kern zusammengebaut werden, um einen Verteiltransformator
zu bilden, befindet sich der im Wesentlichen gerade Teilabschnitt
der Spule innerhalb des Kernfensters. Um die Größe der Spule zu minimieren,
weist die Spule erfindungsgemäß mehrere
Kühlkanäle auf,
die sich nicht durchgehend um den Umfang der Spule herum befinden
und die sich in einem Abschnitt der Spule befinden, der den im Wesentlichen
geraden Teilabschnitt nicht umfasst. Die Harzeinkapselung schützt die
Spule gegen rauhe Umweltbedingungen, schützt das Isolierungssystem der
Spule, verbessert die Spulenfestigkeit unter Kurzschlussbedingungen
und verbessert die Kühlkennzeichen
der Spule durch Schaffen einer glatten, gleichmäßigen Oberfläche an der
Außenseite
der Spule, über
die Luft (entweder erzwungen oder konvektiv) glatt und leicht hinwegstreichen
kann.
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Der Verteil-Trockentransformator
der Erfindung ist in vorteilhafter Weise haltbar und robust. Die Spulen-
und Kernmaterialien werden in einer hochwirtschaftlichen Weise verwendet,
was die Produktionskosten und die Transformatorgröße senkt.
Diese Merkmale sind für
Verteil-Trockentransformatoren besonders wünschenswert, bei denen Größe, Kosten und
Leistungsfähigkeit
die Marktakzeptanz bestimmen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird umfassender verstanden werden
und weitere Vorteile werden offensichtlich, wenn auf die folgende
ausführliche
Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird,
worin in allen ver schiedenen Ansichten gleiche Bezugsnummern ähnliche
Elemente bezeichnen und in denen:
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1A eine
Vorderansicht eines einphasigen Manteltransformators int, der erfindungsgemäß aufgebaut
ist, wobei die Spule teilweise weggeschnitten ist, und
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1B eine
Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 1A ist,
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2A eine
Vorderansicht eines einphasigen Kerntransformators ist, der erfindungsgemäß aufgebaut
ist,
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2B eine
Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2A ist,
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3A eine
Vorderansicht eines dreiphasigen Transformators ist, der erfindungsgemäß aufgebaut
ist,
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3B eine
(uerschnittsansicht entlang der Linie B-B in 3A ist,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, im Grossen und Ganzen
rechteckigen Niederspannungsspule ist, die um einen rechteckigen
Wickelkern gewickelt ist,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, im Grossen und Ganzen
rechteckigen Hochspannungsspule ist, die um einen rechteckigen Wickelkern
gewickelt ist,
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Epoxid-Einschließungsbehälters ist, der zum Einkapseln
einer erfindungsgemäßen, im
Grossen und Ganzen rechteckigen Spule konfiguriert ist,
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7 eine
Draufsicht auf den Epoxid-Einschließungsbehälter aus 6 mit einer im Grossen und
Ganzen rechteckigen Spule ist, die darin enthalten ist, und
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8 ein
Blockdiagramm eines Einkapselungssystems zum Einkapseln einer erfindungsgemäß aufgebauten
Spule ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend auf die 1A und 2A der Zeichnungen,
so werden dort zwei Varianten einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gezeigt: ein einphasiger Verteil-Manteltransformator (1A) und ein einphasiger
Verteil-Kerntransformator (2A).
Der einphasige Manteltransformator umfasst eine im Grossen und Ganzen
rechteckige, in Harz eingekapselte Spule 40 und zwei Kerne
aus amorphem Metall 20. Der einphasige Kerntransformator 10 umfasst
zwei im Grossen und Ganzen rechteckige, in Harz eingekapselte Spulen 40 und
einen einzigen Kern aus amorphem Metall 20. Eine zweite
Ausführungsform
der Erfindung ist in der 3A dargestellt.
In dieser Ausführungsform
umfasst der dreiphasige Verteil-Manteltransformator 10 drei
im Grossen und Ganzen rechteckige, in Harz eingekapselte Spulen 40 und
vier Kerne aus amorphem Metall 20. Während die folgende ausführliche Beschreibung
auf die Einphasen-Mantelausführungsform
gerichtet ist, wird vom Fachmann verstanden werden, dass diese Beschreibung
auch auf die Ausführungsformen
des einphasigen Kerntransformators und des dreiphasigen Manteltransformators, die
in den 2A, 2B, 3A und 3B dargestellt
sind, anwendbar ist. Außerdem
wird es Fachleuten offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung
und deren ausführliche
Beschreibung, die unten bereitgestellt ist, für verschiedene andere Konfigurationen und
Bauarten des Verteil-Trockentransformators
gelten. Die Beschreibung, die unten für einen einphasigen Manteltransformator
bereit gestellt ist, sollte somit als veranschaulichend und nicht
in einem einschränkenden
Sinne ausgelegt werden.
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Wie hier verwendet, bedeuten die
Ausdrücke „amorphes
Metall" und „amorphe
Metall-Legierungen" eine
Metall-Legierung,
der im Wesentlichen eine Fernordnung fehlt und die durch Röntgenstrahlbeugungs-Intensitätsmaxima
gekennzeichnet ist, die qualitativ jenen ähnlich sind, die für Flüssigkeiten oder
anorganische Oxidgläser
beobachtet werden.
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Amorphe Metall-Legierungen sind zum
Bilden von Kernen 20 gut geeignet, da sie die folgende Kombination
von Eigenschaften aufweisen: (a) geringen Ummagnetisierungsverlust,
(b) geringen Wirbelstromverlust, (c) geringe Koerzitivkraft, (d)
hohe magnetische Permeabilität,
(e) hohen Sättigungswert und
(f) minimale Änderung
der Permeabilität
mit der Temperatur. Derartige Legierungen sind zu mindestens etwa
50% amorph, wie durch Röntgenstrahlbeugung
bestimmt. Bevorzugte amorphe Metall-Legierungen schließen jene
ein, welche die Formel M60–90T0–15X10
–25 aufweisen, worin
M mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel ist, T
mindestens eines der Übergangsmetallelemente
und X mindestens eines der Nichtmetallelemente Phosphor, Bor und
Kohlenstoff ist. Bis zu 80 Prozent des Kohlenstoffs, Phosphors und/oder
Bors in X können durch
Aluminium, Antimon, Beryllium, Germanium, Indium, Silizium und Zinn
ersetzt werden. Wenn solche amorphen Metall-Legierungen als Kerne
von magnetischen Vorrichtungen benutzt werden, zeigen sie im Vergleich
zu den herkömmlichen
polykristallinen Metall-Legierungen, die gewöhnlich verwendet werden, im
Allgemeinen überlegene
Eigenschaften. Streifen solcher amorphen Legierungen sind vorzugsweise
mindestens zu 80% amorph, insbesondere jedoch zu mindestens 95%
amorph.
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Die amorphen Legierungen der Kerne 20 werden
vorzugsweise durch Abkühlen
einer Schmelze mit einer Geschwin digkeit von etwa 106°C/s gebildet.
Zur Produktion von schnell abgeschreckten, durchgehenden, amorphen
Metallstreifen sind verschiedene wohlbekannte Techniken verfügbar. Wenn das
Streifenmaterial der Kerne 20 in magnetischen Kernen für Transformatoren
aus amorphem Metall benutzt wird, besitzt es typischerweise die
Form eines Bandes. Dieses Streifenmaterial wird zweckmäßig durch
Gießen
von geschmolzenem Material direkt auf eine Kühloberfläche oder in eine Art von Abschreckmedium
hergestellt. Solche Verarbeitungstechniken senken die Produktionskosten
beträchtlich,
da keine Drahtzieh- oder
Bandbildungs-Zwischenvorgänge
erforderlich sind.
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Die amorphen Metall-Legierungen,
aus denen der Kern 20 vorzugsweise zusammengesetzt ist, zeigen
eine hohe Zugfestigkeit, in Abhängigkeit
von der besonderen Zusammensetzung typischerwaeise etwa 1.380 bis
4.140 mPa (200.000 bis 600.000 psi). Diese muß mit der von polykristallinen
Legierungen verglichen werden, die im ausgeglühten Zustand benutzt werden
und die gewöhnlich
von etwa 276 bis 552 mPa (40.000 bis 80.000 psi) reicht. Eine hohe Zugfestigkeit
ist ein wichtiger Faktor bei Anwendungen, bei denen hohe Zentrifugalkräfte auftreten,
da Legierungen von höherer
Festigkeit die Haltbarkeitsdauer des Transformators verlängern.
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Außerdem zeigen die amorphen
Metall-Legierungen, die benutzt werden, um den Kern 20 zu bilden,
einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, der in Abhängigkeit
von der besonderen Zusammensetzung bei 25°C von etwa 160 bis 180 Mikroohm·cm reicht.
Typische Materialien des Standes der Technik besitzen spezifische
Widerstände
von etwa 45 bis 160 Mikroohm·cm.
Der hohe spezifische Widerstand, den die amorphen Metall-Legierungen besitzen,
die oben definiert sind, ist in Wechselstromanwendungen zum Minimieren
der Wirbelstromverluste nützlich,
die wiederum ein Faktor beim Senken von Kernverlusten sind.
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Ein weiterer Vorteil des Benutzens
amorpher Metall-Legierungen,
um den Kern 20 bilden, ist es, dass geringere Koerzitivkräfte als
mit Zusammensetzungen des Standes der Technik mit im Wesentlichen demselben
Metallgehalt erhalten werden, wodurch es möglich ist, in dem Kern 20 mehr
Eisen, das relativ billig ist, zu verwenden, im Vergleich zu einem
größeren Anteil
von Nickel, das teurer ist.
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Jeder der Kerne 20 wird
durch Wickeln aufeinanderfolgender Windungen auf einen Wickelkern (nicht
dargestellt) gebildet, wobei das Streifenmaterial unter Spannung
gehalten wird, um eine straffe Bildung zu bewirken. Die Anzahl der
Windungen wird in Abhängigkeit
von der gewünschten
Größe jedes Kerns 20 gewählt. Die
Dicke des Streifenmaterials der Kerne 20 liegt vorzugsweise
in dem Bereich von 0,025 bis 0,050 mm (1 bis 2 mils). Aufgrund der
verhältnismäßig großen Zugfestigkeit
der amorphen Metall-Legierung, die hierin benutzt wird, kann Streifenmaterial
mit einer Dicke von 0,025 bis 0,050 mm (1 bis 2 mils) benutzt werden,
ohne dass ein Zerbrechen befürchtet
werden müßte. Man
wird verstehen, dass, wenn das Streifenmaterial verhältnismäßig dünn gehalten
wird, dies den effektiven spezifischen Widerstand erhöht, da viele
Grenzen pro Einheit der radialen Länge vorhanden sind, welche
Wirbelströme durchlaufen
müssen.
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Mit weiterer Bezugnahme auf die 1A und 1B schließt ein einphasiger Vertsil-Manteltrockentransformator 10 eine
Kern/Spulen-Zusammenstellung 12 ein, die aus zwei Kernen 20 aus
amorphem Metall und einer eingekapselten, im Grossen und Ganzen
rechteckigen Spule 40 besteht. Der Transformator 10 schließt auch
einen unteren Rahmen 30 und einen oberen Rahmen 34 ein,
die untere und obere Spulenhalter 32 bzw. 36 aufweisen
und innerhalb derer die Kern/Spulen-Zusammenstellung 12 installiert
ist. Jeder Kern 20 ist vorzugsweise aus mehreren amorphen
Metallstreifen oder -schichten 28 gewickelt, die eine im
Grossen und Ganzen rechteckige Querschnittsform besitzen (siehe 1B). Jeder Kern 20 besitzt
zwei lange Seiten 24 und zwei kurze Seiten 26,
die zusammen ein im Grossen und Ganzen rechteckiges Kernfenster 22 eingrenzen,
innerhalb dessen sich ein im Wesentlichen gerader Mittelabschnitt 52 der
im Grossen und Ganzen rechteckigen Spule 40 der vorliegenden
Erfindung befindet. Das Seitenverhältnis, d. h. das Verhältnis der langen
und kurzen Seiten 24, 26 des Kerns 20 zueinander,
wird hierin als das Verhältnis
der Fensterhöhe (d.
h. lange Seite 24) zur Fensterbreite (d. h. kurze Seite 26)
definiert und beträgt
vorzugsweise zwischen ungefähr
3,5 zu 1 und 4,5 zu 1. Dieser bevorzugte Kernaufbau minimiert die
Anzahl der gewickelten Streifen oder Schichten 28 aus amorphem
Metall, die erforderlich sind, um den Kern 20 aufzubauen, was
wiederum kleinere Temperaturgradienten in der Spule 40 ergibt.
Schichten von Epoxid (nicht dargestellt) sind längs der langen Seiten 24 angebracht, um
die Höhe
des Kerns 20 zu halten. Die erste Epoxidschicht ist vorzugsweise
im Grossen und Ganzen nachgiebig und dringt zwischen die Streifen
oder Schichten aus amorphem Metall 28, die den Kern 20 umfassen.
Die folgenden Epoxidschichten sind im Allgemeinen steifer, um den
langen Seiten 24 des Kerns 20 die gewünschte Festigkeit
zu verleihen. Der Kern 20 ist vorzugsweise aus Band aus
amorphem Metall aufgebaut, welches die chemische Zusammensetzung
Fe80B11Si9 besitzt, wobei das Band von AlliedSignal
Inc. unter der Handelsbezeichnung METGLAS®-SA-1-Legierung
vertrieben wird.
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Die gewünschte Form der Spule 40 ist
im Grossen und Ganzen rechteckig. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung werden jedoch auch andere geometrische Formen in Betracht
gezogen, vorausgesetzt jedoch, dass solche anderen geometrischen
Formen einen im Wesentlichen geraden Mittelabschnitt 52 einschließen, dem
eine solche Größe und Form
gegeben wird, dass er sich in das im Grossen und Ganzen rechteckige
Fenster
22 des Kerns 20 einfügt. Zum Beispiel kann die Spule 40 abgerundete
Endabschnitte 54, die sich nicht innerhalb des Kernfensters 22 befinden,
und einen im Grossen und Ganzen geraden Mittelabschnitt 52,
der durch das Kernfenster hindurchgeht und sich innerhalb dieses
befindet, z. B. ein Oval mit im Grossen und Ganzen geraden Mittelabschnitten,
aufweisen.
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Wie in der 1B deutlicher gezeigt ist, umfasst die
im Grossen und Ganzen rechteckige Spule 40 mehrere Spulenwicklungen 42,
die zusammen mit einem Isoliermaterial 44 und mit selektiv örtlich festgelegten
Kühlkanalabstandshaltern 46 (siehe 4 und 5) gewickelt sind. Die im Grossen und
Ganzen rechteckige Form der Spule 40 wird durch Wickeln der
Spulenbestandteile (z. B. Wicklungen 42 und Isoliermaterial 44)
um einen rechteckigen Wickelkern 60 (siehe 4 und 5)
erhalten, indem abwechselnd die Spulenwicklungen 42 und
das Isoliermaterial 44 zu mehreren konzentrischen Schichten
gewickelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Isoliermaterial 44 die
allerinnersten und alleräußersten
Schichten der gewickelten Spule 40 und sorgt ferner für elektrische
Isolierung zwischen benachbart gewickelten Spulenwicklungen 42.
Nach Entfernen des rechteckigen Wickelkerns 60 wird ein im
Wesentlichen rechteckiger Spulenkanal 56 längs durch
die Spule 40 hindurch eingegrenzt.
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Da das Spulenwickelmaterial typischerweise auf
einer Spindel gewickelt geliefert wird, kann das Material einen
Krümmungsradius
zurückbehalten, nachdem
die Spule 40 gewickelt ist, was verursacht, dass die Spule 40 sich
aufgrund des Gedächtnisses des
Wickelmaterials krümmt
oder eine im Grossen und Ganzen ovale Form annimmt. Dies erhöht in nachteiliger
Weise die Bauabmessungen der Spule, besonders in dem Mittelabschnitt 52,
welcher vorzugsweise im Wesentlichen gerade ist, und kann zu Spulen
führen,
die zu groß sind,
um auf die Kerne 20 zu passen. Es ist somit notwendig,
sicherzustellen, dass die Spulenwicklungen 42 (und die
Spule 40) ihre im Grossen und Ganzen rechteckige Form beibehalten,
nachdem sie von dem Wickelkern 60 entfernt werden. Eine
Lösung
bezieht das Benutzen von epoxidgepunktetem Kraftpapier als ein Isoliermaterial 44 zwischen
den Spulenwicklungen 42 ein. Das Epoxid haftet an den Spulenwicklungen 42 und
verleiht nach dem Aushärten
den Wicklungen 42 Steifigkeit, die der Neigung des Wickelmaterials
zum Krümmen
entgegenwirkt. Alternativ kann eine Wicklungsform 62 (siehe 4 und 5) die Metallecken 64 einschließen, die
in den Spulenwicklungen 42 Ecken bilden, und die Spule 40 wird
auf den Wickelkern 60 gewickelt. Eine dritte Lösung besteht
in dem Formen der im Grossen und Ganzen rechteckigen Form der Spule 40,
wenn das Wickelmaterial auf den Wickelkern 60 gewickelt
wird, wie z. B. das Verwenden eines Holzblocks und eines Nylonhammers.
Eine noch weitere Lösung
besteht in dem Belassen der Spule 40 auf dem Wickelkern 60 und,
nachdem die Spule 40 vollständig gewickelt worden ist und
vor der Einkapselung, in dem Drücken
der langen Schenkel der Wicklung 40 zwischen die Schellen.
Zusätzlich
zu dem Versehen der Spule 40 mit der im Grossen und Ganzen
rechteckigen Form dient diese letzte Lösung dazu, die langen Schenkel
der Spule 40 weiter zusammenzudrücken, wodurch die Aufschichtung
der Wicklungen 42 und des Isoliermaterials 44 in
den Teilabschnitten, in denen die Aufschichtung minimiert sein sollte,
d. h. in den im Wesentlichen geraden Mittelabschnitten 52,
minimiert wird.
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Um die Größe der fertigen Spule 40 weiter
zu minimieren, werden die Kühlkanalabstandshalter 46 nicht
(und die Kühlkanäle 58 befinden
sich nicht) in den im Wesentlichen geraden Mittelabschnitten 52 der
Spule angebracht. Dies schafft einen deutlichen Vorteil gegenüber runden
oder ringförmigen
Spulen, die um den Umfang herum durchgehende Kühlkanäle erfordern. Somit wird ein
um den Umfang herum nicht durchgehender Kühlkanal, der durch die selektive
Platzierung der Abstandshalter 46 festgelegt ist, nur in
den Endabschnitten 54 der im Wesentlichen rechteckigen
Spule 40 geschaffen.
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Das Isoliermaterial 44 ist
zwischen benachbarten Schichten der Spulenwicklungen 42 eingefügt, um für elektrische
Isolierung zwischen diesen zu sorgen, und bildet die allerinnerste
und alleräußerste Schicht
der Spule 40 (die unten beschriebene Epoxideinkapselung
nicht berücksichtigend).
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Isoliermaterial 44 einen Bogen oder Bögen aus
Aramidpapier, wie z. B. der Marke Nomex® von
Dupont. Es wird den Fachleuten offensichtlich sein, dass verschiedene andere
Isoliermaterialien vorgesehen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden
Erfindung, wie beansprucht, zu verlassen.
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Dem allerinnersten und alleräußersten
Bogen des Isoliermaterials 44 ist vorzugsweise eine solche
Größe gegeben,
dass sie sich ungefähr
12 mm über
die Längsenden
der Spule 40 hinaus erstrecken. Außerdem erstreckt sich das Isoliermaterial 44, das
sich auf jeder Seite der Kühlkanalabstandshalter 46 befindet,
ebenfalls ungefähr
12 mm über
die Enden der Spule 40 hinaus. Diese Bögen gestreckten Isoliermaterials 44 sind
mit einem dicken Epoxid versiegelt, wie z. B. dem von der Magnolia
Co. hergestellten, Teilenummer 3126, A/B. Die epoxidierten gestreckten
Bögen aus
Isoliermaterial 44 dienen dann dazu, das während des
Einkapselungsverfahrens (unten ausführlicher beschrieben) der Spule 40 nicht ausgehärtete Epoxid
zu enthalten.
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Die Kühlung für Verteil-Trockentransformatoren
kann entweder konvektiv oder durch Gebläseluft erfolgen. Die Kühlkanäle 58 sind
somit zwischen den Spulenwicklungen notwendig, um den Durchgang von
Luft durch dieselben zu gestatten. Die Kühlkanalabstandshalter 46 können zwi schen
den Spulenwicklungen 42 eingefügt werden, wenn die Spule 40 gewickelt
wird, und werden entfernt, nachdem die Spule 40 eingekapselt
worden ist (wie unten ausführlicher beschrieben).
Da es wünschenswert
ist, das Maß der gewickelten
Spule 40 in Schranken zu halten, um sicherzustellen, dass
sie sich in das Kernfenster 22 des Kerns 20 einfügt, werden
die Kühlkanalabstandshalter 46 erfindungsgemäß in vorteilhafter
Weise nur in jene Teilabschnitte der Spule 40 eingefügt, die
sich in dem zusammengebauten Transformator 10 nicht innerhalb
des Kernfensters 22 (d. h. an den entfernten Längsenden
der Spule 40, wie in 1B deutlich
dargestellt) befinden werden. Somit werden die Maße der Spule 40 in
dem Teilabschnitt in Schranken gehalten, der sich innerhalb des
Kernfensters 22 befinden wird, wodurch kleinere (d. h. schmalere)
Spulen, 40 bereitgestellt werden, die wiederum kleinere
Verteiltransformatoren erzeugen. Die im Grossen und Ganzen rechteckige
Form der Spule der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Benutzung von Kühlkanälen 58,
die nicht durchgehend um den Umfang der rechteckigen Spule herum
angeordnet sind. Die Erwünschtheit
des selektiven örtlichen Festlegens
der Kühlkanäle 58 und
des Schaffens von um den Umfang herum nicht durchgehenden Kühlkanälen 58 wird
deutlich, wenn die Tatsache berücksichtigt
wird, dass die Kühlkanäle 58 die
Spule vergrößern – was besonders
in dem im Wesentlichen geraden Mittelabschnitt 52 der Spule 40 unerwünscht ist.
Die im Grossen und Ganzen rechteckige Form der Spule 40 der
vorliegenden Erfindung sorgt für
vier deutlich abgezeichnete Seiten (was runde oder ringförmige Spulen
nicht tun), die ein selektives örtliches Festlegen
der Kühlkanäle 58 in
den Endabschnitten 54 der Spule 40 ermöglichen.
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Für
Niederspannungsspulen, wie z. B. jene, die typischerweise als die
Sekundärwicklung
eines Verteiltransformators benutzt werden, umfasst die Spulenwicklung 42 einen
Bogen oder Bögen
aus Aluminium oder Kupfer (siehe
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4).
Für Hochspannungsspulen,
wie z. B. jene, die typischerweise als die Primärwicklung eines Verteiltransformators
benutzt werden, umfasst die Spulenwicklung 42 einen Kupferdraht
mit rechteckigem oder rundem Querschnitt (siehe 5). Sowohl für Niederals auch für Hochspannungsspulen
wird die Spule 40 auf einen rechteckigen Wickelkern 60 gewickelt,
vorzugsweise in Verbindung mit einer Wickelform 62 mit
Metallecken 64, die eine vorbestimmte Winkelanordnung besitzen.
Die im Wesentlichen rechteckige Spule 40 der vorliegenden
Erfindung kann nur eine Niederspannungs- oder eine Hochspannungsspule umfassen,
oder sie kann alternativ sowohl Nieder- als auch Hochspannungsspulen
umfassen. Die gewickelte Spule 40 ist vollständig in
einer Epoxidharzschicht 50 enthalten und eingekapselt,
wie unten ausführlicher
beschrieben.
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Bezugnehmend auf die 4 und 5,
so ist dort eine im Grossen und Ganzen rechteckige Spule 40 dargestellt,
die erfindungsgemäß für Niederspannungs-
bzw. Hochspannungsanwendungen konfiguriert ist. Die in 4 dargestellte Niederspannungsspule 40 wird
durch Wickeln einer Spulenwicklung 42, wie z. B. eines
Bogens aus Kupfer oder Aluminium, um einen im Grossen und Ganzen
rechteckigen Wickelkern 60 gebildet. Um benachbarte Schichten von
Wicklungen 42 elektrisch zu isolieren, wird ein Isoliermaterial 44 dazwischen
eingefügt.
Das Isoliermaterial 44 umfasst die allerinnerste und alleräußerste Schicht
der gewickelten Spule 40. Die Kühlkanäle 58 werden in der
gewickelten Spule 40 durch Einfügen von Kühlkanalabstandshaltern 46 zwischen
den Spulenwicklungen 42 geschaffen, wenn die Spule 40 gewickelt
wird. Die Abstandshalter 46 werden entfernt, nachdem die
Spule 40 eingekapselt ist, und die Kühlkanäle 58 werden somit
durch den Hohlraum festgelegt, der durch die entfernten Abstandshalter 46 erzeugt
wird. Die in 5 dargestellte
Hochspannungsspule 40 wird in einer Weise gebildet, die
derjenigen für
die Niederspannungsspule 40 in 4 ähnlich
ist, mit der Ausnahme, dass die Spulenwicklung 42 einen
rechteckigen oder runden Kupferdraht umfasst, der spiral- oder scheibenförmig um
den rechteckigen Wickelkern 60 gewickelt ist.
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Die Spule 40 der vorliegenden
Erfindung wird in eine Epoxidharzschicht 50 eingekapselt,
wobei ein Einschließungsbehälter 70,
wie in 6 dargestellt,
benutzt wird. Der Behälter 70 umfasst
einen Behältermantel 72,
der eine erste und eine zweite Hälfte 72a, 72b,
einen Behälterkern 74 und
einen Behälterboden 76 aufweist.
Der Behälterkern 74 kann auch
eine erste und eine zweite Hälfte 74a, 74b umfassen
oder der Behälterkern 74 kann
alternativ den rechteckigen Wickelkern 60 umfassen, auf
dem die im Grossen und Ganzen rechteckige Spule 40 der vorliegenden
Erfindung gewickelt und gebildet ist. Die Schellen 78,
die an der ersten und der zweiten Behälterhälfte 72a, 72b bereitgestellt
sind, können verwendet
werden, um die beiden Hälften
während des
Einkapselungsverfahrens zusammenzuhalten.
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Das Einkapselungsverfahren wird nun
ausführlich
und mit Bezugnahme auf die 6, 7 und 8 beschrieben. Die gewickelte Spule 40 wird
in den Einschliessungsbehälter 70 gegeben,
der sich vorzugsweise um ungefähr
100 mm über
das obere Ende der Spule 40 hinaus erstreckt, um ein Schrumpfen
des Epoxids nach dem Aushärten
einzukalkulieren. Der Behälter 70 und
die Spule 40 werden dann in eine Vakuumkammer 80 gegeben,
die mit einer Vakuumquelle 82 und einer Epoxidquelle 84 verbunden ist.
Die Kammer 80 wird dann durch die Vakuumquelle 82 auf
ungefähr
20,0 kPa (150 Torr) evakuiert. Ein Epoxid von geringer Viskosität, wie z.
B. Bisphenol-A-Epoxidharz des Typs, der von der Magnolia Co. als
Teilenummer 111-047, A/B vertrieben wird, wird in den Einschließungsbehälter 70 eingegeben
und füllt diesen
vollständig
aus. Wenn der Behälter 70 bis zum
oberen Ende mit Epoxid gefüllt
ist, wird die Vakuumkammer 80 weiter auf ungefähr 2,7 kPa
(20 Torr) evakuiert. Falls der Epoxidpegel während der oben beschriebenen
Druckänderungen
innerhalb der Kammer 80 sinkt, wird dem Einschließungsbehälter 70 zusätzliches
Epoxid zugeführt.
Wenn der Einschließungsbehälter 70 einmal
vollständig
mit Epoxid gefüllt
ist und der Epoxidpegel innerhalb des Behälters 70 stabilisiert
ist, wird das Epoxid ausgehärtet, um
eine Epoxidharzschicht 50 zu bilden, welche die Spule 40 vollständig umgibt
und einkapselt. Nachdem das Epoxid ausgehärtet ist, wird die Spule 40 aus
dem Einschließungsbehälter 70 entfernt,
und die Kühlkanalabstandshalter 46 werden
von der Spule 40 entfernt.
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Die im Grossen und Ganzen rechteckige,
in Harz eingekapselte Spule 40 kann nun zusammen mit einem
gewickelten Kern aus amorphem Metall 20, der einen im Grossen
und Ganzen rechteckigen Querschnitt und ein im Grossen und Ganzen
rechteckiges Kernfenster 22 aufweist, benutzt werden. Der im
Wesentlichen gerade Teilabschnitt 52 der Spule 40 befindet
sich innerhalb des Kernfensters 22 und passt im Wesentlichen
zu der Größe und der
Form des Fensters 22.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung
einen Verteil-Trockentransformator
bereit, der einen gewickelten Kern aus amorphem Metall aufweist,
der eine im Grossen und Ganzen rechteckige Querschnittsform und
eine im Grossen und Ganzen rechteckige, in Harz eingekapselte Spule
aufweist. Um die Größe der Spule
zu minimieren, weist die Spule mehrere Kühlkanäle auf, die um den Umfang der
Spule herum nicht durchgehend angeordnet sind und die sich in einem
Abschnitt der Spule befinden, der den im Wesentlichen geraden Teilabschnitt
nicht umfasst. Die Einkapselung schützt die Spule gegen rauhe Umweltbedingungen,
schützt
das Isoliersystem der Spule, verbessert die Spulenfestigkeit unter
Kurzschlussbedingungen und verbessert die Kühlkennzeichen der Spule durch
das Bereitstellen einer glatten, gleichmäßigen Oberfläche an der
Außenseite
der Spule, über die
Luft (entweder erzwungen oder konvektiv) glatt und leicht hinwegstreichen
kann. Außerdem
kann der Verteil-Trockentransformator
aus amorphem Metall durch Anpassen der Form der Spule an die des
Querschnitts des Kernes im Allgemeinen billiger produziert werden,
weist einen geringeren Widerstand und somit geringere Verluste auf
(weniger Spulenmaterial wird benötigt,
um die Spule zu wickeln) und ist kompakter als Transformatoren des Standes
der Technik, die im Allgemeinen runde oder kreisförmige Spulen
aufweisen. Somit stellt die vorliegende Erfindung einen haltbaren
und robusten Verteil-Trockentransformator
bereit, bei dem die Transformatormaterialien in einer wirtschaftlicheren Weise
benutzt werden, wodurch die Produktionskosten und die Gesamtgröße des Transformators
verringert werden.
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Nachdem die Erfindung somit in fast
allen Einzelheiten beschrieben worden ist, wird verstanden werden,
dass an derartigen Einzelheiten nicht streng festgehalten zu werden
braucht, sondern dass sich dem Fachmann verschiedene Änderungen
und Modifikationen von selbst nahe legen, die alle innerhalb des
Umfangs der Erfindung fallen, wie durch die angefügten Ansprüche definiert.