EP0107013A2 - Drossel mit Wicklungen um Kernschenkel aus Eisenkernscheiben - Google Patents

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EP0107013A2
EP0107013A2 EP83109084A EP83109084A EP0107013A2 EP 0107013 A2 EP0107013 A2 EP 0107013A2 EP 83109084 A EP83109084 A EP 83109084A EP 83109084 A EP83109084 A EP 83109084A EP 0107013 A2 EP0107013 A2 EP 0107013A2
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EP
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jacket
iron core
tension
choke
electrical conductivity
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Walter Dr. Dipl.-Ing. Müller
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Transformatoren Union AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/26—Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
    • H01F27/263—Fastening parts of the core together

Definitions

  • the invention relates to chokes for large electrical outputs with windings around core legs made of iron core disks stacked at intervals in the axial direction and with yokes arranged on the end face above and below the windings, which are fixed by the iron core disks axially penetrating metallic tension elements.
  • the upper and lower yokes in such chokes must be mechanically clamped together.
  • the yokes are supported by the core laminated core and inserts made of hard material in the gaps between the core laminated core arranged one above the other.
  • the oscillation amplitudes that occur due to the magnetic tensile forces at the interfaces of the core laminated cores are kept small by the clamping force.
  • Glass-fiber reinforced plastic rods or non-magnetic steel have been used as the material for the tension elements in the center of the alternating magnetic field.
  • the tension elements consist of steel and are electrically insulated by a sleeve made of insulating material.
  • the use of glass fiber reinforced plastic rods has the disadvantage that this material flows during its aging and the use of electrically insulated metallic bolts as a tension element allows only very low magnetic longitudinal field strengths with regard to the eddy current heating in the magnetic field.
  • the invention is therefore based on the object to provide for the bracing of the yokes of a choke with the associated core legs and windings starting from the core legs centrally penetrating tie rods an arrangement that the full exploitation of the achievable longitudinal field strengths in the core leg and at the same time the utilization of the mechanical The strength of the other components, especially the tie rods, is guaranteed in an economical manner.
  • the tension elements are made of high-strength steel and are dimensioned solely taking into account the mechanical load, that the tension elements in the area of the iron core disks and the yokes are made of a closed jacket made of material with very good electrical conductivity, for example of copper or Aluminum, are surrounded and that eddy currents generated in this jacket reduce the magnetic field inside the traction element to a fraction that is just sufficient to maintain the eddy currents in the jacket.
  • the electrical conductivity of the material for the jacket is at least 5 times, preferably more than 25 times as large as that of the high-strength steel of the tension elements, and that the electrical conductivity of the high-strength steel is less than 2 m / ⁇ mm 2 .
  • the tension element is in one piece and has a circular cross section or the tension element is rectangular in cross section and the longer side of the cross section lies parallel to the layer direction of the sheets in the yoke.
  • the tension element consists of a plurality of bands lying parallel to one another, each of which is encompassed by a jacket made of material with a very high electrical conductivity.
  • a particularly effective development of the invention consists in that the jacket of each tension element is wound from one or more axially parallel, electrically short-circuited coils made of foil-like sheet metal strip.
  • Tension elements designed according to the invention with a jacket made of an electrically highly conductive material are very advantageous because they allow central tensioning for the yokes, which is arranged in the center of the core legs, at any magnetic alternating field strengths and thus also at any desired choke power ratings.
  • Windings 1 of a multi-phase choke each comprise a core leg made of iron core disks 2 stacked one above the other in the axial direction. Between each successive iron core disk 2 there is an intermediate layer 5 made of non-magnetic material with a very high modulus of elasticity, so that this core leg represents a rigid rigid column in itself.
  • the individual iron core disks 2 are composed in a known manner from transformer sheet metal lamellae and, like the intermediate layers 5, have an axially parallel central opening.
  • yokes 3 rest on the end faces of the core legs formed by the iron core disks 2, which are preferably designed as straight beams and are likewise composed of transformer sheet metal lamellae. Over the openings provided in the iron core disks 2 and the intermediate layers 5 of the individual core legs, openings are also provided in the two yokes 3 which are congruent with the former.
  • the openings in the yokes 3, the iron core disks 2 and the intermediate layers 5 are penetrated in the longitudinal direction for each core leg by a metallic tension element 4, which has nuts 8 at its ends, which, after being tightened via disks 7, form the iron core disks 2 and press the yokes 3 firmly together.
  • the intermediate layers 5 essentially serve to adjust the magnetic resistance of the iron circuit.
  • the heating in each of the tension elements 4 is negligibly small due to the remaining field.
  • the current coating in the jacket 6 and the required wall thickness thereof depend on the enclosed cross section.
  • Copper or aluminum whose electrical conductivity is 20 to 30 times as large as the electrical conductivity of a high-strength steel which is high-alloyed with nickel, chromium and / or molybdenum, are particularly suitable as the material for the jacket 6.

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Abstract

Eisenkernscheiben (2), die mit zwischen ihnen angeordneten Zwischenlagen (5) und sie stirnseitig abdeckenden Jochen (3) den Eisenkern von mehrphasigen Drosseln bilden, werden häufig durch die Eisenkernscheiben (2) achsmittig durchsetzende metallische Zugelemente (4) zusammengehalten. Erfindungsgemäß sind die metallischen Zugelemente (4) zur Verringerung der in ihnen auftretenden magnetischen Wechselfeldstärke von einem Mantel (6) aus Werkstoff mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit umfaßt. Dabei reduzieren die in dem Mantel (6) erzeugten Wirbelströme die Magnetfeldstärke im Inneren des Zugelementes (4) auf einen Teilbetrag, der gerade ausreicht, um die Wirbelströme im Mantel (6) aufrechtzuerhalten. Erfindungsgemäß ummantelte Zugelemente (4) ermöglichen besonders wirtschaftliche Anordnungen.bei Drosseln mit großen elektrischen Leistungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Drosseln für große elektrische Leistungen mit Wicklungen um Kernschenkel aus in Achsrichtung mit Abständen übereinandergestapelten Eisenkernscheiben und mit stirnseitig über und unter den Wicklungen angeordneten Jochen, die durch die Eisenkernscheiben achsmittig durchsetzende, metallische Zugelemente fixiert sind.
  • Mit Rücksicht auf die Reduzierung von magnetisch bedingten Geräuschen müssen das obere und das untere Joch bei derartigen Drosseln mechanisch miteinander verspannt sein. Die Abstützung der Joche erfolgt dabei über die Kernblechpakete und über Beilagen aus hartem Werkstoff in den Spalten zwischen übereinander angeordneten Kernblechpaketen. Durch die Spannkraft werden die durch die magnetischen Zugkräfte an den Grenzflächen der Kernblechpakete auftretenden Schwingungsamplituden klein gehalten.
  • Für die Verspannung der Joche sind unterschiedliche Anordnungen bekannt. Beispielsweise ist durch die US-Patentschrift 2 909 742 eine Anordnung bekannt, bei der im Zentrum jedes Kernschenkels ein mechanisches Zugelement vorgesehen ist, das die Joche durchstößt und über verhältnismäßig einfache stern- oder scheibenförmige Verbindungselemente die Zugkraft auf die Joche überträgt.
  • Als Werkstoff für die im Zentrum des magnetischen Wechselfeldes liegenden Zugelemente sind glasfaserverstärkte Kunststoffstangen oder unmagnetischer Stahl verwendet worden. Bei der vorgenannten bekannten Anordnung bestehen die Zugelemente aus Stahl und sind durch eine Muffe aus Isolierwerkstoff elektrisch isoliert. Der Einsatz von glasfaserverstärkten Kunststoffstangen hat den Nachteil, daß dieser Werkstoff während seiner Alterung fließt und der Einsatz von elektrisch isolierten metallischen Bolzen als Zugelement läßt mit Rücksicht auf die Wirbelstromerwärmung im Magnetfeld nur sehr niedrige magnetische Längsfeldstärken zu.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die Verspannung der Joche einer Drossel mit den zugehörigen Kernschenkeln und Wicklungen ausgehend von die Kernschenkel zentral durchsetzenden Zugstangen eine Anordnung zu schaffen, die die volle Ausnutzung der erreich-baren Längsfeldstärken im Kernschenkel und gleichzeitig die Ausnutzung der mechanischen Festigkeit der übrigen Bauteile, insbesonder der Zugstangen, auf wirtschaftliche Art und Weise gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zugelemente aus hochfestem Stahl hergestellt und ausschließlich unter Berücksichtigung der mechanischen Belastung dimensioniert sind, daß die Zugelemente im Bereich der Eisenkernscheiben und der Joche von einem geschlossenen Mantel aus Werkstoff mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, umgeben sind und daß in diesem Mantel erzeugte Wirbelströme das Magnetfeld im Inneren des Zugelementes auf einen Teilbetrag reduzieren, der gerade ausreicht, um die Wirbelströme im Mantel aufrecht zu erhalten.
  • Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes für den Mantel mindestens 5-mal, vorzugsweise mehr als 25-mal, so groß ist wie die des hochfesten Stahles der Zugelemente, und daß die elektrische Leitfähigkeit des hochfesten Stahles kleiner als 2 m/Ω mm2 ist.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist das Zugelement einstückig und weist einen kreisförmigen Querschnitt auf oder ist das Zugelement im Querschnitt rechteckig und die längere Seite des Querschnitts liegt parallel zur Schichtrichtung der Bleche im Joch. Dabei besteht das Zugelement aus mehreren parallel aneinanderliegenden Bändern, von denen jedes für sich von einem Mantel aus Werkstoff mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit umfaßt ist.
  • Eine besonders wirksame Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Mantel jedes Zugelementes aus einer oder aus mehreren axial parallelen, elektrisch kurzgeschlossenen Spulen aus folienartigem Blechband gewickelt ist.
  • Erfindungsgemäß gestaltete Zugelemente mit einem Mantel aus elektrisch sehr gut leitendem Werkstoff sind sehr vorteilhaft, weil sie eine achsmittig in den Kernschenkeln angeordnete Zentralverspannung für die Joche bei beliebig hohen magnetischen Wechselfeldstärken und damit auch bei beliebig hohen Drosselnennleistungen erlauben.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobei in der Zeichnung ein Längsschnitt durch eine Drossel mit erfindungsgemäß von einem Mantel umgebenen Zugelement in den Kernschenkeln dargestellt ist.
  • Wicklungen 1 einer mehrphasigen Drossel umfassen jeweils einen Kernschenkel aus in Achsrichtung übereinandergestapelten Eisenkernscheiben 2. Zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Eisenkernscheiben 2 ist je eine Zwischenlage 5 aus unmagnetischem Werkstoff mit sehr hohem Elastizitätsmodul angeordnet, so daß dieser Kernschenkel für sich eine starre feste Säule darstellt. Die einzelnen Eisenkernscheiben 2 sind in bekannter Weise aus Transformatorblechlamellen zusammengesetzt und weisen ebenso, wie die Zwischenlagen 5, einen achsparallelen zentralen Durchbruch auf.
  • Unter Zwischenschaltung von weiteren Zwischenlagen 5 liegen auf den Stirnflächen der von den Eisenkernscheiben 2 gebildeten Kernschenkel Joche 3 auf, die vorzugsweise als gerade Balken gestaltet sind und ebenfalls aus Transformatorblechlamellen zusammengesetzt sind. Über den in den Eisenkernscheiben 2 und den Zwischenlagen 5 der einzelnen Kernschenkel vorgesehenen Durchbrüchen sind in den beiden Jochen 3 ebenfalls Durchbrüche vorgesehen, die mit den erstgenannten deckungsgleich sind.
  • Die Durchbrüche in den Jochen 3, den Eisenkernscheiben 2 und den Zwischenlagen 5 werden je Kernschenkel von einem metallischen Zugelement 4 in Längsrichtung durchsetzt, das an seinen Enden Muttern 8 trägt, die nach ihrem Anziehen über Scheiben 7 die den Eisenkreis der Drossel bildenden Eisenkernscheiben 2 und die Joche 3 fest aufeinanderpressen. Die Zwischenlagen 5 dienen in dieser Anordnung im wesentlichen zur Einstellung des magnetischen Widerstandes des Eisenkreises.
  • Zur Abschirmung der in den Jochen 3 sowie den Eisenkernscheiben 2 durch die Wicklungen 1 erzeugten sehr hohen magnetischen Wechselfeldstärke von den metallischen Zugelementen 4 sind diese im Bereich der Eisenkernscheiben 2 und der Joche 3 praktisch lückenlos von je einem Mantel 6 aus elektrisch sehr gut leitendem Werkstoff umgeben. Die im Mantel 6 an jeder Stelle fliessenden Wirbelströme reduzieren das Magnetfeld im Innenraum des Mantels 6 auf einen Teilbetrag, der gerade ausreicht, um die Wirbelströme im Mantel 6 aufrecht zu erhalten.
  • Durch die Herstellung der Zugelemente 4 aus hochlegiertem, hochfestem Stahl mit gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit des Mantels 6 wesentlich niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit ist die Erwärmung in jedem einzelnen der Zugelemente 4 durch das verbleibende Restfeld vernachlässigbar klein. Dabei ist der Strombelag in dem Mantel 6 und die erforderliche Wandstärke desselben von dem umschlossenen Querschnitt abhängig. Bei einer Unterteilung des Zugelementes 4 in ein Bündel von parallelen Bändern ist es deshalb vorteilhaft, jedes einzelne der Bänder mit einem eigenen Mantel 6 mit entsprechend kleiner Wandstärke zu umgeben.
  • Als Werkstoff für den Mantel 6 eignen sich insbesondere Kupfer oder Aluminium, deren elektrische Leitfähigkeit 20- bis 30-mal so groß ist wie die elektrische Leitfähigkeit eines hochfesten mit Nickel, Chrom und/oder Molybdän hochlegierten Stahles. Zur Verhinderung von Korrosion zwischen den unterschiedlichen Metallen ist es häufig zweckmäßig, die Berührungsflächen der Zugelemente 4 und des jeweils zugehörigen Mantels 6 galvanisch zu behandeln oder mit einer korrosionsneutralen Folie, beispielsweise mit Papier, abzudecken.

Claims (7)

1. Drossel für große elektrische Leistungen mit Wicklungen um Kernschenkel aus in Achsrichtung mit Abständen übereinandergestapelten Eisenkernscheiben und mit stirnseitig über und unter den Wicklungen angeordneten Jochen, die durch die Eisenkernscheiben achsmittig durchsetzende, metallische Zugelemente fixiert sind, dadurch gekennzeichnet ,
- daß die Zugelemente (4) aus hochfestem Stahl hergestellt und ausschließlich unter Berücksichtigung der mechanischen Belastung dimensioniert sind,
- daß die Zugelemente (4) im Bereich der Eisenkernscheiben (2) und der Joche (3) von einem geschlossenen Mantel (6) aus Werkstoff mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, umgeben sind und
- daß in diesem Mantel (6) erzeugte Wirbelströme das Magnetfeld im Inneren des Zugelementes (4) auf einen Teilbetrag reduzieren, der gerade ausreicht, um die Wirbelströme im Mantel (6) aufrecht zu erhalten.
2. Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes für den Mantel (6) mindestens 5-mal, vorzugsweise mehr als 25-mal, so groß ist wie die des hochfesten Stahles der Zugelemente (4).
3. Drossel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Leitfähigkeit des hochfesten Stahles kleiner als 2 m/Ω mm2 ist.
4. Drossel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Zugelement (4) einstückig ist und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
5. Drossel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Zugelement (4) im Querschnitt rechteckig ist und die längere Seite des Querschnitts parallel zur Schichtrichtung der Bleche im Joch (3) liegt.
6. Drossel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Zugelement (4) aus mehreren parallel aneinanderliegenden Bändern besteht, von denen jedes für sich von einem Mantel (6) aus Werkstoff mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit umfaßt ist.
7. Drossel nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Mantel (6) jedes Zugelementes (4) aus einer oder aus mehreren axial parallelen, elektrisch kurzgeschlossenen Spulen aus folienartigem Blechband gewickelt ist.
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