DE69909604T2 - Transformator aus amorphem metall mit rechteckiger spule - Google Patents

Transformator aus amorphem metall mit rechteckiger spule Download PDF

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Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1A eine Vorderansicht eines einphasigen Manteltransformators int, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, wobei die Spule teilweise weggeschnitten ist, und
  • 1B eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 1A ist,
  • 2A eine Vorderansicht eines einphasigen Kerntransformators ist, der erfindungsgemäß aufgebaut ist,
  • 2B eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2A ist,
  • 3A eine Vorderansicht eines dreiphasigen Transformators ist, der erfindungsgemäß aufgebaut ist,
  • 3B eine (uerschnittsansicht entlang der Linie B-B in 3A ist,
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, im Grossen und Ganzen rechteckigen Niederspannungsspule ist, die um einen rechteckigen Wickelkern gewickelt ist,
  • 5 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, im Grossen und Ganzen rechteckigen Hochspannungsspule ist, die um einen rechteckigen Wickelkern gewickelt ist,
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines Epoxid-Einschließungsbehälters ist, der zum Einkapseln einer erfindungsgemäßen, im Grossen und Ganzen rechteckigen Spule konfiguriert ist,
  • 7 eine Draufsicht auf den Epoxid-Einschließungsbehälter aus 6 mit einer im Grossen und Ganzen rechteckigen Spule ist, die darin enthalten ist, und
  • 8 ein Blockdiagramm eines Einkapselungssystems zum Einkapseln einer erfindungsgemäß aufgebauten Spule ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Verteil-Trockentransformator (10), umfassend: eine in Harz eingekapselte Spule (40) mit einem im Wesentlichen geraden Teilabschnitt und einen Kern aus amorphem Metall (20) mit einem im Allgemeinen rechteckigen Kernfenster (22), das darin definiert ist, wobei der Spule und dem Kern eine solche Grösse und Form gegeben sind, dass die Form des im Wesentlichen geraden Teilabschnitts (52) der Spule im Wesentlichen mit der Form des Kernfensters (22) übereinstimmt, wobei der im Wesentlichen gerade Teilabschnitt (52) der Spule sich innerhalb des Kernfensters (22) befindet, und die Spule mehrere Kühlkanäle (58) nicht durchgehend um den Umfang der Spule herum aufweist, die sich in einem Abschnitt der Spule befinden, der den im Wesentlichen geraden Teilabschnitt (52) nicht umfasst.
  2. Verteil-Trockentransformator (10) nach Anspruch 1, wobei die Spule (40) ferner Folgendes umfasst: mehrere konzentrische Schichten, umfassend eine leitfähige Spulenwicklung (42) und ein Isoliermaterial (44), das für eine elektrische Isolierung zwischen benachbarten konzentrischen Schichten der Spule sorgt, und eine Harzschicht (50), welche die Spule einkapselt.
  3. Verteil-Trockentransformator (10) nach Anspruch 2, wobei die mehreren konzentrischen Schichten aus abwechselnd gewickeltem, leitfähigem Material (42) und Isoliermaterial (44) gebildet sind.
  4. Verteil-Trockentransformator (10) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Kühlkanäle (58) zwischen benachbarten der mehreren konzentrischen Schichten definiert sind.
  5. Verteil-Trockentransformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Harzschicht (50) ein niedrigviskoses Epoxidharz umfasst.
  6. Verteil-Trockentransformator (10) nach Anspruch 5, wobei das niedrigviskose Harz ein Bisphenol-A-Epoxidharz ist.
  7. Verteil-Trockentransformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern (20) ein gewickelter Kern ist.
  8. Verteil-Trockentransformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern (20) aus einer amorphen Metall-Legierung hergestellt ist, welche die Formel M60–90T0–15X10–25 besitzt, worin M mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel ist, T mindestens eines der Übergangsmetallelemente ist und X mindestens eines der Nichtmetallelemente Phosphor, Bor und Kohlenstoff ist und worin bis zu 80 Prozent des Kohlenstoff-, Phosphor- und Borgehaltes wahlweise durch Aluminium, Antimon, Beryllium, Germanium, Indium, Silizium und Zinn ersetzt sind.
  9. Verteil-Trockentransformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernfenster (22) ein Seitenverhältnis von grösser als 3,5 zu 1 definiert.
  10. Verteil-Trockentransformator (10) nach Anspruch 1, wobei das Kernfenster (22) ein Seitenverhältnis zwischen 3,5 zu 1 und 4,5 zu 1 definiert.
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