Luftgekühlter Transformator. Die Erfindung betrifft einen Transforma tor, in dem, zwecks. Erzielung einer beträcht- 1'ichen Stromführungskapazität, Mittel zur Luftkühlung der Leiteroberflächen vorgesehen sind.
Zweck der Erfindung ist es, einen Trans formator der angegebenen Art zu schaffen, in dem ein erheblicher Teil der Oberfläche der in mehreren Lagen um einen Kern gewickelten Spulenleiter der Luftkühlung ausgesetzt ist. Erfindungsgemäss wird dies da durch erreicht, dass wenigstens einige dieser Lagen aus je einer Wicklung eines flachen Streifens aus Leitermaterial bestehen, wobei mit Hilfe von Abstandhaltern, die sich in der Längsrichtung der Spule erstrecken, Luftka näle zwischen benachbarten, aus den genann ten Streifen bestehenden Lagen gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt die F'ig. 1 eine Seitenansicht des erfindungs gemässen Transformators, Fig. 2 eine Obenansicht dieses Trans formators, i--. 3 einen Vertikalschnitt durch eine F<B>C</B> Wicklung längs er Linie 3-3 der F'ig. 2, Fig. 4 einen Vertikalschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2 und Fig. 5 eine vergrösserte Teilansicht des einen Endes der Spule.
Die Erfindung wird an Hand eines drei- phasigen Abwärtstransformators erläutert, dessen drei Spulen C auf dem Kern A ange ordnet sind, welcher aus zwei E-förmigen Hälften aufgebaut ist, die beispielsweise durch das metallische Klemmband 10 zusammenge halten werden, das seinerseits durch Klemmen 11 befestigt ist. Im dargestellten Beispiel sind vier Stützen 12 vorgesehen, von denen sich jede längs einer Eckkante des Kernes A er streckt. Sie bestehen aus Metall, haben einen winkelförmigen Querschnitt und weisen zweckmässige Montierungsansätze 12a- auf, welche mit den Endteilen jeder Stütze ver lötet sind.
Die Stützen 12 werden in ihrer Lage auf dem Kern A durch das gespannte Klemmband 13 festgehalten, welches z. B. aus Stahl besteht und durch die Klemme 1-1 in seiner Lage festgehalten wird. Das Band wird vorzugsweise bis zu einem Punkt unter halb seiner Elastizitätsgrenze gestreckt, wo durch eine Ausdehnung und Zusammen ziehung ohne Deformation oder Spannungs verlust möglich ist.
Jede Stütze 12 weist vorzugsweise sich nach innen erstreckende Befestigungslappen 12b auf, welche beispielsweise durch Verlöten an den innern Kanten der Stütze befestigt und so angeordnet sind, dass sie auf benach barten und entgegengesetzten Flächen des Kernes A anliegen, um eine Verschiebung der Stütze zu verhindern.
Wenn die Stützen aus Aluminium, einer Aluminiumverbindung, wie beispielsweise Duraluminium oder aus einem andern Metall bestehen, welches mit dem Eisen des Kernes eine unerwünschte Reaktion haben könnte, so kann eine zweckmässige Iso lation, beispielsweise eine Schicht aus Glasge webe 12e zwischen jeder Stütze 12 und dem anliegenden Teil des Kernes A eingefügt werden.
Die Spulen C sind von genau gleichem Aufbau, so dass nur eine Spule beschrieben wird. Sie ist auf einem Wicklungsrohr 15 üblicher Art angeordnet, welches in seiner Lage auf dem Kern A durch die Keile W festgehalten. wird, welche aus Isoliermaterial bestehen können. Die Spule weist eine innere Primärwicklung aus rechteckförmigem Kup ferdraht auf, wobei .die aufeinanderfolgenden Drahtlagen 16 und die benachbarten Draht- windungen isoliert sind.
Zu :diesem Zweck kann der Draht mit Glasgewebe oder einer andern Isolation umhüllt sein, und aufeinan- derfolgende Lagen der Wicklung können durch Isolationsstreifen aus Drahtgewebe ge trennt sein, welche in :den Teilen der aufeinan- derfolgenden Wicklungslagen angeordnet sind, welche aneinander anliegen. In den Teilen; die, wie nachstehend beschrieben, untereinan der einen Zwischenraum aufweisen, wird diese Isolation vorzugsweise weggelassen.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind fünf Lagen 16 in der Primärwicklung vorhanden.
Die Sekundärwicklung besteht aus einer Anzahl Windungen, welche aus einem Strei fen aus Metallblech gebildet sind, welcher ge wöhnlich gleich breit ist, wie die primären Lagen 16 und welcher vorzugsweise aus sehr dünnem Metallblech, beispielsweise aus Kup fer, besteht; auf diese Weise wird infolge Verringerung :der Kupferverluste der Wärme umsatz vermindert und gleichzeitig die Mög lichkeit der Wärmeabfuhr durch Ausstrah lung erhöht. In einem praktischen Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemässen Trans formators wurde ein Streifen von 0,55 mm Dicke und 73 mm Breite verwendet.
Die Teile von aufeinanderfolgenden Windungen 18: welche aneinander anliegen, sind durch eine Isolation getrennt, welche vorteilhaft aus Streifen 17 aus Glasgewebe besteht. Im :dar gestellten Ausführungsbeispiel besteht die Se kundärwicklung aus :sechs Windungen.
Der Transformator ist für einen verhält nismässig grossen Strom bemessen, insbesondere für die Sekundärwicklung, was notwendiger weise eine merkliche Neigung zur Erwärmung in sich schliesst. Um die Wärmeabführung von den Wicklungen zu verbessern, weisen deren auf entgegengesetzten Seiten des Ker nes A angeordneten Teile Luftkanäle 20 auf. welche sich zwischen benachbarten Lagern 16 der Primärwicklung und zwischen den Win dungen 18 :der Sekundärwicklung erstrecken.
Jeder Kanal 20 wird durch Einfügung von Distanzierungsstücken 21 gebildet, welche sich in Längsrichtung der Spule erstrecken, das heisst parallel zur Wicklungsachse ver laufen und vorzugsweise neben den Enden der geraden Teile der genannten Lagen und Win dungen, welche parallel zu den Seiten des Kernes A liegen, angeordnet sind. Die Di- stanzierungsstücke 21 bestehen aus einem Material, welches die notwendigen isolieren den, mechanischen und dielektrischen Eigen schaften aufweist.
Für diesen Zweck hat sich ein Material aus aufeinander angeordneten Lagen aus Glasgewebe als besonders geeignet erwiesen, welches durch ein Bindemittel ver steift ist, das Temperaturänderungen einen grossenoWiderstand bietet. Das Distanzierungs- stück 21a, welches über dem Anfang der se kundären Streifenwicklung liegt, und das Di- stanzierungsstück 21b, welches gegen das äussere Ende des Sekundärstreifens anliegt, können jedoch aus leitendem Material, vor zugsweise aus Metall, wie z. B.
Kupfer, be stehen und mit den darunter liegenden End- teilen :der Sekundärwicklung verlötet sein.
Die Anzahl der Luftkanäle 20 für irgend eine Anzahl von gegebenen Windungen oder Lagen der Wicklung kann verändert werden, um die Kühlwirkung gegenüber dem Mehr ufwand an Material und Arbeit auszuglei- i chen, der sich bei der Schaffung von zusätz- iichen Kanälen ergibt. Im dargestellten Aus führungsbeispiel ist ein Kanal nach jeder zweiten Lage 16 der Primärwicklung und nach jeder dritten Windung 18 der Sekun därwicklung vorhanden. Diese Anzahl kann jedoch entsprechend den Anforderungen von verschiedenen Arten des Aufbaues geändert werden und jede Windung kann von benach barten Windungen durch Luftkanäle getrennt werden, sofern dies erwünscht ist.
Um den Zusammenbau der Distanzierungs- stücke für die Kanäle und der auf diesen befindlichen Leiterwindungen zu erleichtern, sind Klemmbolzen 22 vorgesehen, welche sich durch das Wickelrohr 15 und die ausgerich teten Enden jedes Satzes von Distanzierungs- stüeken 21 erstrecken, welche über die Wick- hzng vorstehen, wobei Distanzierungsröhrchen 23 auf jedem Bolzen 22 zwischen den Kanal distanzierungsstücken 21 angeordnet sind, die dazu dienen, die letzteren in der richtigen ge trennten Lage zu halten.
Um zu verhindern, dass die zwischen be nachbarten Luftkanälen 20 liegenden Teile. der Sekundärwicklung unter den Beanspru chungen, die durch die durch sie hindurch fliessenden Ströme verursacht werden, oder unter der Wirkung der unter Druck in die ge rannten Kanäle eindringenden und durch diese hindurchfliessenden Luft zum Schwingen oder Flattern zu kommen, wird die Sekundärwick lung unter einer verhältnismässig grossen me chanischen Spannung angebracht, welche viel grösser als die üblicherweise bei der Wicklung von Transformatoren verwendete ist, so dass die Spannung der Teile der Windungen 18 zwischen den Distanzierungsstücken 21 genü gend gross ist, um merkliches Flattern oder Schwingen zu verhindern.
Eine Kraft von mehr als 225 kg, beispielsweise eine solche von ungefähr 320 kg, welche auf einem Sekundär streifen der oben angegebenen Dimensionen zur Anwendung gelangte, hat sich als zweck rnässig erwiesen. Diese Kraft erlaubt ebenfalls, dass Luftkanäle 20, welche in einer Richtung quer zur Spulenachse eine beträchtliche Breite aufweisen, vorgesehen werden können, wobei die Oberfläche der Sekundärwicklung 18, wel che der Kühlluft ausgesetzt werden kann, wesentlich vergrössert wird.
Mit einer solchen Anordnung sind die Teile der Sekundärwin dungen auf entgegengesetzten Seiten der Luft kanäle praktisch flach und zueinander paral lel und verbleiben auch während des Betriebes des Transformators in diesem Zustand: Kanäle der dargestellten Art können sich praktisch über die ganze Breite auf einer Seite der Spule ausdehnen.
Die Klemmen der Primärwicklung sind herausgeführt und können in beliebiger Weise mit einer Aussenleitung verbunden werden. Die Enden der Sekundärwicklung weisen zweckmässige Anschlussleiter auf. In der dar gestellten Ausführungsform sind .die Enden jedes Sekundärwicklungsstreifens über eine diagonale Kante nach oben abgebogen, so. dass sie über die Spule vorstehen und in einfacher Weise mit den Zuführungsdrähten verbunden werden können. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel sind sie durch die Sammel schienen 24 in Dreieck geschaltet.
Diese Sam melschienen verlaufen quer zu den Endender Wicklungen und weisen je einen an ihr be festigten Klemmstreifen 25 auf, welcher sich nach aussen in eine für den Anschluss geeig nete Lage erstreckt.
Mit Vorteil wird eine Vorrichtung vorge sehen, um Luft durch die Kanäle 20 mit einer Geschwindigkeit hindurchzupressen, welche hinreichend ist, um die Transformator wicklungen auf einer zulässigen Temperatur zu halten, selbst wenn diese sehr hohe Be lastungsströme führen. Im dargestellten Aus führungsbeispiel ist der Transformator in einem Gehäuse 26 eingeschlossen, welche einen Luftkanal bildet, der sich parallel zu den Achsen der Transformatorspulen aus dehnt und welches von der äussern Ober fläche der Spulen in einem kleinen Abstand verläuft, welcher praktisch gleich dem Ra dialdurchmesser der Luftkanäle 20 sein kann.
Der Transformator ist vorteilhaft mit Schrau ben 27, welche sich durch Ansätze 12a er strecken, am Gehäuse 26 befestigt.
Besondere Mittel können vorgesehen wer den, um die Luft unter Druck durch das Gehäuse 26 hudurchzupressen, wobei die Luft durch, die au._ftlar@ä@l 20 und um. die exponierten Flächen der Trans.formatorspu- len fliesst.
Im Falle, wo der Transformator in einem Flugzeug untergebracht ist, kann der Luftdruck dadurch erhalten werden, dass ein Ende des Gehäuses 26 mit dem Luftstrom ausserhalb des Flugzeuges. verbunden ist, und zwar vorzugsweise im Luftstrom einer der Propeller. Selbstverständlich kann das gleiche Ergebnis erzielt werden, indem eine Luft druckquelle, beispielsweise ein Ventilator oder ein Gebläse B, vorgesehen wird.
Die einzustellende Luftgeschwindigkeit ist von der Lufttemperatur und von der im Transformator erzeugten Wärme sowie von der radialen Breite der Luftkanäle 20 ab hängig. Es ist vorteilhaft, in den Luftkanälen 20 einen turbulenten Luftstrom vorzusehen, wodurch die Kühlwirkung der Luft erhöht wird. Dies ist ein wichtiger Faktor, wo die radiale Dicke der Kanäle möglichst klein ge halten werden muss. Es hat sich gezeigt, dass Turbulenz auftritt, wenn die Geschwindig keit der Luft durch einen Durchgang von der Art eines Kanals 20 eine kritische Ge schwindigkeit überschreitet.
Es hat sich ferner gezeigt, dass der Luft strom, der dadurch erhalten wird, dass das Gehäuse 26 mit dem Luftstrom ausserhalb eines sich im Fluse befindlichen Flugzeuges verbunden wird, für die Kühlung eines Transformators, der angegebenen Art. hin reichend ist und dass dabei die gewünschte Art der Strömung erzielt wird.
Tatsächlich hat sich ergeben, dass bei einem Luftdruck von dieser Art, die Verwendung von ziemlichen gen Luftkanälen 20 zweckmässig ist, wodurch ein verhältnismässig gedrängter Transforma- toraufbau ermöglicht wird, während gleich zeitig die notwendige Kühlwirkung gewähr leistet ist.
Es hat sich beispielsweise als prak- tisch erwiesen, Luftkanäle mit einem Radial durchmesser von ungefähr 3 mm zu verwen den, wobei die Temperatur des Transforma tors: auf einem zufriedenstellenden Wert ge halten wird, wenn Luft mit einem Druck von ungefähr 2,5 g/mmz verwendet wird, welcher eine Geschwindigkeit von. 3,$ m/sek erzeugt., wenn in der Sekundärwicklung der oben be schriebenen Art ein Strom von<B>390</B> Ampere fliesst.
Unter diesen Verhältnissen bleibt die Temperatur der Sekundärwicklung unter 55 C.
Transformatoren, welche wie der beschrie bene ausgebildet sind, sind wesentlich leichter als, die bisher für ähnliche Zwecke hergestell ten Transformatoren. Die Verwendung von dünnem Metallblech für die Sekundärwick lung ergibt den doppelten Vorteil, dass die Kupferverluste bedeutend verringert werden und das Ausmass der Wärmestrahlung be deutend verbessert ist.
Beispielsweise weist ein Transformator der beschriebenen Art, der bei 1000 Hz arbeitet, in der Sekundärssrick- lung .einen gupf erverlust von ungefähr 650 Watt auf, während eine Wicklung mit der gleichen Windungszahl von q,uadratisichem Draht mit dem gleichen Querschnitt und die in einer Lage angeordnet ist,
einen Kupfer verlust von 4000 Watt aufweist. Was die Kühlung betrifft, weist ein Metall'blechstrei- fen der oben erwähnten Dimensionen eine Oberfläche von 14,7 cm\ pro Zentimeter Lei terlänge auf, während der entsprechende qua dratische Draht nur eine Oberfläche von 2,6 cm\ aufweist.
Eine Spule mit neun Win dungen, die eine mittlere Windungslänge von 30,5 cm aufweist, wenn sie aus einer Metall blechwicklung besteht, hat eine strahlende Oberfläche, welche ungefähm neunmal so gross ist, wie diejenige einer gleichartigen Spule mit quadratischem Draht gleichen Quer schnittes.
Zudem ist praktisch die ganze Oberfläche der Metallstreifen auf den Seiten angeordnet, wo. sie der Kühlluft ausgesetzt werden kann, während bei quadratischem Draht nur die Hälfte der Oberfläche auf diese Weise gekühlt werden kann.
Die Konstruktion und Montierung der Stützen ist wesentlich einfacher als frühere Anordnungen, in welchen die. Stützen durch Bolzen, Schrauben oder dergleichen am Kern angebracht wurden. In der dargestellten An ordnung können alle diese Stützen gleichzeitig auf dem Kern montiert werden, wobei die Zahl der Stützen sowie derer Lage verändert werden kann, ohne die Kernkonstruktion zu beein flussen. Dabei wird der Teil des Kernes, welcher als Pfad für den magnetischen Fluss dient, nicht durch Bolzen, Schrauben oder andere vorstehende Teile, die aus Metall von vollständig verschiedener Charakteristik be stehen, unterbrochen oder beeinflusst.
Wenn die Stützen aus Metall hergestellt sind, wel ches möglicherweise in chemischer oder ande rer Art mit den Teilen des Kernes, die mit den Stützen in Berührung stehen, in Wechsel wirkung tritt und dies, insbesondere wenn Feuchtigkeit vorhanden ist, so erweist sich die vorliegende Art der Montierung weiter von Vorteil, da sie die Verwendung eines einfachen isolierenden Elementes zwischen jeder Stütze und dem Kern erleichtert, wo bei dieses isolierende Element aus Material besteht, welches für die Verhinderung irgend einer solchen elektrolytischen oder andern Wirkung geeignet ist.