EP1849169B1 - Transformatorkern mit magnetischer abschirmung - Google Patents

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EP1849169B1
EP1849169B1 EP06708170.3A EP06708170A EP1849169B1 EP 1849169 B1 EP1849169 B1 EP 1849169B1 EP 06708170 A EP06708170 A EP 06708170A EP 1849169 B1 EP1849169 B1 EP 1849169B1
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transformer
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/366—Electric or magnetic shields or screens made of ferromagnetic material
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
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    • H01F27/26—Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
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    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/02—Cores, Yokes, or armatures made from sheets

Definitions

  • the invention relates to a transformer core with a core interior of magnetizable material.
  • a tensioning device is arranged around the outside of the core, which holds the layered core and the coil body arranged around the core under axial pressure.
  • Transformer core is any magnetizable core for the intended use in an electromagnetic machine, such. a transformer or a choke.
  • the core inside in the sense of the present invention is the magnetizable part of the transformer core for guiding the magnetic flux.
  • Magnetic leakage fluxes generate eddy currents in the outer core segments and / or in the clamping device, which can lead to considerable local heating of the core or the clamping device.
  • this problem has been addressed by dividing the outer core regions into small-width segments and reducing power losses and localized heating by using narrow or slotted clamping devices.
  • the disadvantage here that while the power losses can be reduced, on the other hand, a local warming, especially with high power transformers, is not prevented.
  • the transformer has a three-legged laminated core with wound around the middle leg transformer windings, wherein the magnetic shield consists of a copper shorting strip, which is guided transversely to the leg longitudinal direction around the laminated core and the windings.
  • the DE 39 40 025 A1 discloses a shield winding for magnetizable material transformers.
  • the shielding coil according to the invention is wound between two winding sections of a transformer, wherein a magnetizable material with a low permeability is used for the shielding winding.
  • a disadvantage of these windings known from the prior art is that, although external disturbing influences on the entire bobbin are prevented, however, non-magnetic stray fluxes within the bobbin, in particular on the core outside, are prevented.
  • CH 484 499 A discloses a transformer core according to the preamble of claim 1.
  • the object of the present invention is therefore to reduce or prevent the magnetic stray fluxes acting on the outside of the core interior and, if present, inside the tensioning device on the outside of the core interior.
  • a shield is at least partially disposed around the core interior, wherein the shield has a layered structure with at least one magnetizable material.
  • layered magnetizable materials such as electrical sheets, conducts the leakage flux into the sheets and causes little power loss in the laminated shield. Due to the guidance of the magnetic leakage fluxes, no eddy currents are generated in the outer side of the core, so that the power losses and local heating within these ranges are greatly reduced or completely avoided. The power losses within the shield and local heating are greatly reduced compared to a transformer core without shielding according to the invention.
  • a device for generating an axial pressure on the interior of the core is arranged between the core interior and the shield.
  • the use of a layered core interior requires the permanent maintenance of axial pressure on the layered core interior.
  • These devices which are usually also referred to as tensioning devices, are arranged directly on the core of the core. Because of the need for high strength, these devices for generating axial pressure often consist of electrically and magnetically conductive materials, such as steel or other metallic sheets. Within these clamping devices for generating an axial pressure locally high heating and power losses are caused by induced eddy currents in magnetic interference.
  • the tensioning device is constructed of layered metals which, like the outer regions of the core interior, are additionally subdivided into segments. This minimizes the maximum according to the prior art possible power of the transformer using the described transformer core.
  • the shield is divided into segments.
  • the subdivision of the shield into segments allows, on the one hand, a rapid and modular construction of the shield around the interior of the core or around the device for exerting the axial pressure.
  • the segmental structure of the shield also allows to create a shield adapted directly to the transformer. As a result, the risk of large local overheating of the device for generating the axial pressure and / or the outer core regions is prevented. In this way, transformers with larger stray fluxes can be built more reliably than before. Also, the power losses when using a transformer core according to the invention are substantially reduced.
  • the length of the shield in the axial direction is equal to or greater than the length of a coil former provided around the transformer core.
  • the shield can be arranged along the entire transformer leg and thus also reduce the negative magnetic stray influences on the final yoke and other optionally existing structural elements.
  • the orientation of the layered structure of the shield parallel to a possible Stray flux direction of a magnetic field is aligned.
  • the orientation may be aligned parallel with respect to the generated within the transformer or with respect to an external possible leakage flux direction.
  • the magnetic flux is ideally guided along the stratification and thus led away at the tensioning device or from the outer regions of the inner core.
  • a preferred feature of the invention is that the core interior is constructed of layered core segments and the shield is disposed along the outside of the outermost core segment or along the axial pressure generating device.
  • the shield is fixed together with the core inside with a - usually insulating bandage.
  • the magnetizable material of the shield is an electrical sheet as used in electromagnetic devices.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the transformer core 1 according to the invention along the axial orientation of the transformer core 1.
  • a clamping device 3 for generating an axial pressure on the inner core 2 and
  • a shield 4 is arranged, which is an intrusion of the leakage flux - caused by the electrical currents in the surrounding bobbins 5 - in the core 2 and in the clamping device 3.
  • the bandage 6 meets - with appropriate choice of material - as an insulating sheathing around the inner core 2 another function.
  • the longitudinal axis along the transformer core 1 is shown as a dashed line.
  • FIG. 2a and Fig. 2b each show a cross section of the transformer core according to the invention 1.
  • a core inner 2 enclosing clamping device 3 is clearly visible.
  • the tensioning device 3 can be constructed in the radial direction either continuously or segmented.
  • To the clamping device 3 according to the figures Fig. 2a and 2b closes the shield 4.
  • the shield 4 may have a layered structure along the entire surface to be shielded.
  • FIG. 2b a segmented structure of layered elements of the shield 4 in view of a modular structure of the transformer core 1 and its shielding be advantageous.
  • the shield 4 Via an outer bandage 6, the shield 4, which encloses either the transformer core 1 completely but at least along the orientation of the yoke, the shield 4 is fixed.
  • the fixation of the shield 4 to the inner core 2 may alternatively via fasteners to the inner core 2, with the clamping device 3 or with other fasteners (not shown). Also a fixation of the shield 4 by means of the material consolidation of the shield under tension or pressure around the inner core 2 and the clamping device 3 is possible.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern mit einem Kerninneren aus magnetisierbarem Material.
  • Beim Betrieb von Transformatoren entstehen neben dem im Kern kanalisierten magnetischen Hauptfluss auch magnetische Streuflüsse, die zum Teil senkrecht in die Schenkel des Transformatorkerns eintreten. Sehr häufig ist um die Außenseite des Kerninneren eine Spannvorrichtung angeordnet, die den geschichteten Kern und die den um den Kern angeordneten Spulenkörper unter axialem Druck hält.
  • Transformatorkern im Sinne der Erfindung ist jeder magnetisierbare Kern für die bestimmungsgemäße Verwendung in einer elektromagnetischen Maschine, wie z.B. einem Transformator oder einer Drossel. Kerninneres im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der magnetisierbare Teil des Transformatorskerns zur Führung des magnetischen Flusses.
  • Magnetische Streuflüsse erzeugen in den äußeren Kernsegmenten und/oder in der Spannvorrichtung Wirbelströme, die zu einer beträchtlichen lokalen Erwärmung des Kerns beziehungsweise der Spannvorrichtung führen können. Bisher wird diesem Problem dadurch begegnet, dass die äußeren Kernbereiche in Segmente kleiner Breite unterteilt und durch die Verwendung von schmalen oder geschlitzten Spannvorrichtungen die Leistungsverluste und die lokalen Erwärmungen reduziert werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass zwar die Leistungsverluste reduziert werden können, andererseits eine lokale Erwärmung, insbesondere bei Transformatoren mit hohen Leistungen, nicht verhindert wird.
  • Ebenfalls sind aus dem Stand der Technik Abschirmungen um den gesamten Spulenkörper bekannt. So beschreibt die DE 36 27 890 A1 einen Transformator mit einer magnetischen Abschirmung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abschirmung. Gemäß der dortigen Erfindung weist der Transformator ein dreischenkliges Blechpaket mit um den mittleren Schenkel gewickelten Transformatorwicklungen auf, wobei die magnetische Abschirmung aus einem Kupferkurzschlussband besteht, das quer zur Schenkellängsrichtung um das Blechpaket und die Wicklungen geführt ist. Die DE 39 40 025 A1 offenbart eine Abschirmwicklung für Transformatoren aus magnetisierbarem Material. Die erfindungsgemäße Abschirmwicklung wird zwischen zwei Wicklungsabschnitten eines Transformators gewickelt, wobei für die Abschirmwicklung ein magnetisierbares Material mit einer geringen Permeabilität verwendet wird. Nachteilig bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Wicklungen ist, dass zwar äußere Störeinflüsse auf den gesamten Spulenkörper verhindert werden, dass jedoch nicht magnetische Streuflüsse innerhalb des Spulenkörpers, insbesondere auf der Kernaußenseite, unterbunden werden.
  • CH 484 499 A offenbart einen Transformatorkern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die auf der Außenseite des Kerninneren - und falls vorhanden innerhalb der Spannvorrichtung an der Außenseite des Kerninneren - einwirkenden magnetischen Streuflüsse zu reduzieren beziehungsweise zu verhindern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß wird um das Kerninnere zumindest teilweise eine Abschirmung angeordnet, wobei die Abschirmung einen schichtweisen Aufbau mit mindestens einem magnetisierbaren Material aufweist. Durch die Verwendung von geschichteten magnetisierbaren Materialien, wie zum Beispiel Elektroblechen, wird der Streufluss in die Bleche geführt und verursacht in der geschichteten Abschirmung nur geringe Leistungsverluste. Aufgrund der Führung der magnetischen Streuflüsse werden in der Außenseite des Kerninneren keine Wirbelströme erzeugt, so dass die Leistungsverluste und lokalen Erwärmungen innerhalb dieser Bereiche stark reduziert beziehungsweise gänzlich vermieden werden. Die Leistungsverluste innerhalb der Abschirmung und eine lokale Erwärmung sind gegenüber einem Transformatorkern ohne erfindungsgemäße Abschirmung stark reduziert.
  • Erfindungsgemäß ist zwischen dem Kerninneren und der Abschirmung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere angeordnet. Die Verwendung eines geschichteten Kerninneren erfordert die permanente Aufrechterhaltung eines axialen Druckes auf das geschichtete Kerninnere. Diese zumeist auch als Spannvorrichtungen bezeichneten Vorrichtungen sind unmittelbar am Kerninneren angeordnet. Aufgrund der Notwendigkeit einer hohen Festigkeit bestehen diese Vorrichtungen zur Erzeugung eines axialen Druckes häufig aus elektrisch und magnetisch leitenden Materialien, wie zum Beispiel Stahl oder anderen metallischen Blechen. Innerhalb dieser Spannvorrichtungen zur Erzeugung eines axialen Druckes werden bei magnetischen Störeinflüssen lokal hohe Erwärmungen und Leistungsverluste durch induzierte Wirbelströme hervorgerufen. Herkömmlicherweise wird die Spannvorrichtung aus geschichteten Metallen aufgebaut, die - wie die Außenbereiche des Kerninneren - zusätzlich in Segmente unterteilt sind. Dies minimiert gemäß dem Stand der Technik die maximal mögliche Leistung des Transformators unter Verwendung des beschriebenen Transformatorkerns.
  • Erfindungsgemäß ist die Abschirmung in Segmente unterteilt. Die Unterteilung der Abschirmung in Segmente erlaubt zum einen einen schnellen und modularen Aufbau der Abschirmung um das Kerninnere beziehungsweise um die Vorrichtung zur Ausübung des axialen Druckes. Der segmentenweise Aufbau der Abschirmung erlaubt ebenfalls eine an den Transformator direkt angepasste Abschirmung zu erstellen. Hierdurch wird die Gefahr großer lokaler Überhitzungen der Vorrichtung zur Erzeugung des axialen Druckes und/oder der äußeren Kernbereiche verhindert. Es können so Transformatoren mit größeren Streuflüssen sicherer als bisher gebaut werden. Ebenfalls sind die Leistungsverluste bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Transformatorkerns wesentlich reduziert.
  • Weiterhin können größere Leistungen pro Transformatorschenkel realisiert werden. Der segmentierte Aufbau der äußeren Bereiche des Kerninneren beziehungsweise der Spannvorrichtung kann bei einem erfindungsgemäßen Transformatorkern vollständig entfallen, wodurch ein wesentlich einfacherer und kostengünstigerer Aufbau des Transformators realisierbar ist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Länge der Abschirmung in axialer Richtung gleich oder größer als die Länge eines vorgesehenen Spulenkörpers um den Transformatorkern ist. Im Grenzfall kann die Abschirmung entlang des gesamten Transformatorschenkels angeordnet sein und so auch die negativen magnetischen Streueinflüsse auf die abschließenden Joch und weitere gegebenenfalls vorhandenen Konstruktionselemente reduzieren. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Orientierung des schichtweisen Aufbaus der Abschirmung parallel zu einer möglichen Streuflussrichtung eines Magnetfeldes ausgerichtet ist. Die Ausrichtung kann dabei hinsichtlich der innerhalb des Transformators erzeugten oder hinsichtlich einer äußeren möglichen Streuflussrichtung parallel ausgerichtet sein. Der magnetische Fluss wird idealer Weise entlang der Schichtung geführt und somit an der Spannvorrichtung beziehungsweise von den Außenbereichen des Kerninneren weggeführt.
  • Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, dass das Kerninnere aus geschichteten Kernsegmenten aufgebaut ist und die Abschirmung entlang der Außenseite des äußersten Kernsegmentes oder entlang der Vorrichtung zur Erzeugung eines axialen Druckes angeordnet ist.
  • Weiterhin wird die Abschirmung gemeinsam mit dem Kerninneren mit einer - normalerweise isolierenden Bandage - fixiert. Innerhalb der Bandage ist die Abschirmung mit einem Isoliermaterial - zum Beispiel Pressspan oder Gießharz - zusätzlich fixiert und elektrisch isoliert. Idealer Weise ist das magnetisierbare Material der Abschirmung ein Elektroblech, wie es in elektromagnetischen Geräten verwendet wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen zu entnehmen. Der Erfindungsgegenstand wird anhand der nachfolgenden Figuren eingehend erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    Schematische Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwie umliegendem Spulenkörper;
    Fig. 2a
    Schematische Querschnittsschnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwei einstückigen Abschirmungen;
    Fig. 2b
    Schematische Querschnittszeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns mit zwei jeweils segmentweisen aufgebauten Abschirmungen.
  • Die Figur Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Transformatorkerns 1 entlang der axialen Ausrichtung des Transformatorkerns 1. Entlang der Außenseite des geschichteten Kerninneren 2 ist eine Spannvorrichtung 3 zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere 2 und
  • die Spulenkörper 5 sichtbar. Um die Spannvorrichtung 3 ist eine Abschirmung 4 angeordnet, die ein Eindringen des Streuflusses - hervorgerufen von den elektrischen Strömen in dem umgebenden Spulenkörpern 5 - in das Kerninnere 2 und in die Spannvorrichtung 3. Kerninneres 2, Spannvorrichtung 3 und die Abschirmung 4 werden mit einer Bandage 6 fixiert. Die Bandage 6 erfüllt - bei entsprechender Materialwahl - als isolierende Umhüllung um das Kerninnere 2 eine weitere Fuktion. Die Längsachse entlang des Transformatorkerns 1 ist als gestrichelte Linie dargestellt.
  • Die Figuren Fig. 2a und Fig. 2b zeigen jeweils einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Transformatorkerns 1. Neben dem schichtweisen Aufbau der das Kerninnere 2 bildenden Kernsegmente ist eine das Kerninnere 2 umschließende Spannvorrichtung 3 deutlich sichtbar. Die Spannvorrichtung 3 kann in radialer Richtung entweder durchgehend oder segmentiert aufgebaut sein. An die Spannvorrichtung 3 gemäß der Figuren Fig. 2a und 2b schließt sich die Abschirmung 4 an. Wie in der Figur Fig. 2a dargestellt, kann die Abschirmung 4 einen schichtweisen Aufbau entlang der gesamten abzuschirmenden Fläche aufweisen. Alternativ kann gemäß Figur Fig. 2b ein segmentweiser Aufbau aus geschichteten Elementen der Abschirmung 4 im Hinblick auf einen modularen Aufbau des Transformatorkerns 1 und dessen Abschirmung vorteilhaft sein. Über eine äußere Bandage 6 wird die Abschirmung 4, die entweder den Transformatorkern 1 vollständig zumindest jedoch entlang der Ausrichtung des Joches umschließt, die Abschirmung 4 fixiert. Die Fixierung der Abschirmung 4 um das Kerninnere 2 kann alternativ über Verbindungselemente mit dem Kerninneren 2, mit der Spannvorrichtung 3 oder mit weiteren Befestigungselementen (nicht dargestellt) erfolgen. Auch eine Fixierung der Abschirmung 4 mittels der Materialfestigung der Abschirmung unter Zug oder Druck um das Kerninnere 2 bzw. die Spannvorrichtung 3 ist möglich.

Claims (6)

  1. Transformatorkern (1) mit einem Kerninneren (2) aus magnetisierbarem Material, wobei um das Kerninnere (2) eine Abschirmung (4) zumindest teilweise angeordnet ist, wobei die Abschirmung (4) einen schichtweisen Aufbau mit mindestens einem magnetisierbaren Material aufweist, und wobei zwischen dem Kerninneren (2) und der Abschirmung (4) eine Vorrichtung (3) zur Erzeugung eines axialen Druckes auf das Kerninnere angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (4) in Segmente unterteilt und der schichtweise Aufbau der Abschirmung (4) parallel zu einer möglichen Streuflussrichtung eines äußeren Magnetfeldes ausgerichtet ist.
  2. Transformatorkern (1) nach Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Abschirmung (4) in axialer Richtung gleich oder größer als die axiale Länge der um den Transformatorkern (1) vorgesehenen Spulenkörper (5) ist.
  3. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Kerninnere (2) mit geschichteten Kernsegmenten aufgebaut ist und die Abschirmung (4) entlang der Außenseite des äußersten Kernsegmentes angeordnet ist.
  4. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (4) mittels einer Bandage (6) um die Abschirmung (4) fixiert ist.
  5. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Isoliermaterial zwischen der Abschirmung (4) und der Bandage (6) die Abschirmung (4) fixiert.
  6. Transformatorkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Material der Abschirmung (4) Elektrobleche sind ist.
EP06708170.3A 2005-02-16 2006-02-10 Transformatorkern mit magnetischer abschirmung Expired - Lifetime EP1849169B1 (de)

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