DE102019108819A1

DE102019108819A1 - Mehrphasentransformator

Info

Publication number: DE102019108819A1
Application number: DE102019108819.4A
Authority: DE
Inventors: Shouhei KOBAYASHI
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2019-10-10
Also published as: JP2019186369A; US20190311838A1; JP6717874B2; CN110364332A; CN209843457U

Abstract

Ein Mehrphasentransformator gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Umfangseisenkern, mindestens sechs Schenkeleisenkerne, die in festgelegten Abständen in Umfangsrichtung an einer Innenfläche des Umfangseisenkerns angeordnet sind, und Spulen, die auf jedem der mindestens sechs Schenkeleisenkerne aufgewickelt sind. Jeder der mindestens sechs Schenkeleisenkerne ist so angeordnet, dass ein Ende in Richtung einer Wickelachse der Spule magnetisch mit dem Umfangseisenkern und das andere Ende in Richtung der Wickelachse magnetisch mit dem anderen Ende eines anderen Schenkeleisenkerns der mindestens sechs Schenkeleisenkerne verbunden ist. Die mindestens sechs Spulen sind einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators zu zweit oder zu mehreren zugeordnet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrphasentransformator und betrifft insbesondere einen Mehrphasentransformator mit mehreren Spulen.
Beschreibung der verwandten Technik
Im Allgemeinen weisen Dreiphasen-Transformatoren jeweils drei Eisenkerne und drei auf die Eisenkerne aufgewickelte Spulen auf. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr.2013-52939393 offenbart eine integrierte magnetische Vorrichtung, in der drei magnetische Unterbaugruppen in Dreiecksform angeordnet sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei herkömmlichen Mehrphasentransformatoren besteht das Problem, dass die Mehrphasentransformatoren schwierig zu miniaturisieren sind, da eine Verringerung der Windungszahl der Spulen zu einer Erhöhung des Einschaltstroms beim Einschalten des Transformators führt.
Ein Mehrphasentransformator gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Umfangseisenkern, mindestens sechs Schenkeleisenkerne, die in festgelegten Abständen in Umfangsrichtung an einer Innenflächenseite des Umfangseisenkerns angeordnet sind, und Spulen, die auf jeden der mindestens sechs Schenkeleisenkerne aufgewickelt sind. Jeder der mindestens sechs Schenkeleisenkerne ist so angeordnet, dass ein Ende in Richtung einer Wickelachse der Spule magnetisch mit dem Umfangseisenkern verbunden ist und das andere Ende in Richtung der Wickelachse magnetisch mit dem anderen Ende eines anderen Schenkeleisenkerns der mindestens sechs Schenkeleisenkerne verbunden ist. Die mindestens sechs Spulen sind einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators zu zweit oder zu mehreren zugeordnet.
Figurenliste
Die Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

die 1 eine Draufsicht auf einen DreiphasenTransformator mit drei Polen;
die 2 ein Diagramm, das zeitliche Änderungen des Einschaltstroms zeigt, der vor und nach einer Verringerung der Windungszahl des Mehrphasentransformators beim Einschalten durch einen Mehrphasentransformator fließt;
die 3 eine Draufsicht auf einen Mehrphasentransformator mit sechs Polen gemäß einer ersten Ausführungsform;
die 4 ein Konfigurationsdiagramm eines allgemeinen Magnetkreises;
die 5 eine Draufsicht auf einen Mehrphasentransformator mit zwölf Polen gemäß der ersten Ausführungsform;
die 6 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung der Eingangsspannung in einem Mehrphasentransformator gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
die 7 Verteilungsdiagramme von Magnetfeldern, die beim Anlegen von Wechselspannung an Mehrphasentransformatoren gemäß der ersten Ausführungsform entstehen; und
die 8 eine perspektivische Ansicht eines Mehrphasentransformators gemäß einer zweiten Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Mehrphasentransformator gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf ihre Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auf die Erfindung, die im Rahmen der Ansprüche und deren Äquivalente beschrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird zunächst ein herkömmlicher Dreiphasentransformator mit drei Polen beschrieben. Ein herkömmlicher Dreiphasentransformator 1000 umfasst einen Umfangseisenkern 1001, drei Schenkeleisenkerne 2001 bis 2003, und Spulen 3001 bis 3003, die auf die Schenkeleisenkerne 2001 bis 2003 aufgewickelt sind. So können die Spulen 3001 bis 3003 beispielsweise eine R-Phasen-Spule, eine S-Phasen-Spule und eine T-Phasen-Spule sein.
Zur Miniaturisierung des Mehrphasentransformators ist ein Verfahren zur Reduzierung der Windungszahl der Spulen denkbar. Es besteht jedoch das Problem, dass die einfache Verringerung der Windungszahl der Spulen zu einem Anstieg des Einschaltstroms beim Einschalten des Mehrphasentransformators führt. Dieses Problem wird im Folgenden beschrieben.
Die 2 ist ein Diagramm, das zeitliche Änderungen des Einschaltstroms, der vor und nach einer Verringerung der Windungszahl des Mehrphasentransformators beim Einschalten durch einen Mehrphasentransformator fließt, veranschaulicht. In der 2 stellt eine gestrichelte Linie den Einschaltstrom vor der Verringerung der Windungszahl und eine durchgezogene Linie den Einschaltstrom nach der Verringerung der Windungszahl dar. Da, wie in der 2 dargestellt, die Verringerung der Windungszahl zu einer Erhöhung des Einschaltstroms führt, besteht das Problem, dass das Verfahren, das drin besteht, die Windungszahl einfach zu verringern, nicht zur Miniaturisierung des Mehrphasentransformators beitragen kann.
Die 3 ist eine Draufsicht auf einen Mehrphasentransformator mit sechs Polen gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein Mehrphasentransformator 10 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen Umfangseisenkern 1, sechs Schenkeleisenkerne 21 bis 26, die in festgelegten Abständen in Umfangsrichtung an einer Innenflächenseite des Umfangseisenkerns 1 angeordnet sind, und Spulen 31 bis 36, die jeweils auf die sechs Schenkeleisenkerne aufgewickelt sind. Der in der 3 dargestellte Umfangseisenkern 1 kann aus mehreren Umfangseisenkernabschnitten bestehen.
Jeder der sechs Schenkeleisenkerne 21 bis 26 ist so angeordnet, dass ein Ende in Richtung einer Wickelachse jeder der Spulen 31 bis 36 magnetisch mit dem Umfangseisenkern 1 verbunden ist, und dass das andere Ende in Richtung der Wickelachse magnetisch mit dem anderen Ende eines anderen Schenkeleisenkerns der sechs Schenkeleisenkerne 21 bis 26 verbunden ist.
Die sechs Spulen 31 bis 36 sind einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators 10 zu zweit oder zu mehreren zugeordnet. Beispielsweise können die Spulen 31 und 32 einer R-Phase des Mehrphasentransformators 10 zugeordnet sein. Die Spulen 33 und 34 können einer S-Phase des Mehrphasentransformators 10 zugeordnet sein. Darüber hinaus können die Spulen 35 und 36 einer T-Phase des Mehrphasentransformators 10 zugeordnet sein.
Die sechs Schenkeleisenkerne 21 bis 26 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass die in den Schenkeleisenkernen jeder Phase gebildeten Magnetpfade umso kürzer sind, je größer die Anzahl der Schenkeleisenkerne ist. Betrachtet man beispielsweise einen Mehrphasentransformator mit sechs Schenkeleisenkernen, so ist die Magnetpfadlänge kürzer als die eines Mehrphasentransformators mit drei Schenkeleisenkernen. Unter der Voraussetzung, dass Mehrphasentransformatoren eine konstante magnetische Flussdichte (z.B. 1,65[T]) und einen konstanten Spannungsabfall (z.B. 87[V]) aufweisen, weist beispielsweise ein Mehrphasentransformator mit drei Schenkeleisenkernen eine Magnetpfadlänge von 751 mm auf, während ein Mehrphasentransformator mit sechs Schenkeleisenkernen eine Magnetpfadlänge von 450 mm, die also um etwa 40 % reduziert ist, aufweist.
Es wird die aus der Verringerung der Magnetpfadlänge resultierende Miniaturisierung von Mehrphasentransformatoren beschrieben. Die 4 ist ein Konfigurationsdiagramm eines allgemeinen Magnetkreises. Im Magnetkreis der 4 wird eine Spule 200 mit n Windungen auf einen Eisenkern 100 aufgewickelt. An die Spule 200 wird eine Spannung V angelegt, und ein Strom i fließt durch die Spule 200. Die mittlere Magnetpfadlänge des Eisenkerns 100 ist durch l_i dargestellt, und die Querschnittsfläche des Eisenkerns, durch den der Magnetfluss fließt, ist durch S dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Magnetwiderstand R_m durch die folgende Gleichung (1) berechnet. $R_{m} = l_{i} / (μ_{r} μ_{0} S)$

wobei µ_r eine relative magnetische Permeabilität ist und µ₀ eine magnetische Permeabilität in einem Vakuum ist. Die Querschnittsfläche S ist konstant.
Eine Induktivität L wird durch die folgende Gleichung (2) berechnet. $L = n^{2} / R_{m}$
Gemäß der Gleichung (1) nimmt der magnetische Widerstand R_m mit abnehmender Magnetpfadlänge l_i ab. Gemäß der Gleichung (2) nimmt die Induktivität L mit abnehmendem Magnetwiderstand R_m zu.
Eine Erhöhung der Induktivität L kann einen durch einen Mehrphasentransformator fließenden Einschaltstrom reduzieren. Gemäß der Gleichung (2) kann bei konstant gehaltener Induktivität L die Anzahl n von Windungen durch eine Abnahme des magnetischen Widerstands R_m verringert werden.
Beispielsweise weist ein Transformator mit dreipoligem Aufbau Primärspulen von 204 Windungen und Sekundärspulen von 170 Windungen auf. In diesem Fall weist durch die Einstellung der Windungszahlen, während ein Einschaltstrom auf gleichem Niveau gehalten wird (192 [A]), ein Transformator mit sechspoligem Aufbau, d.h. der Mehrphasentransformator gemäß der ersten Ausführungsform, Primärspulen von 185 Windungen und Sekundärspulen von 154 Windungen auf, wodurch eine Verringerung der Windungszahl in der Größenordnung von 10 % ermöglicht wird. Dadurch kann der Transformator mit sechspoligem Aufbau, d.h. der Mehrphasentransformator nach der ersten Ausführungsform, im Vergleich zu dem Transformator mit dreipoligem Aufbau hinsichtlich seines Volumens um das 0,6-fache und hinsichtlich seines Gewichts um das 0,8-fache miniaturisiert werden.
In gleicher Weise kann eine Erhöhung der Polzahl von dem sechspoligen Aufbau auf den zwölfpoligen Aufbau, anders ausgedrückt, eine Erhöhung der Anzahl der Schenkeleisenkerne, zur Miniaturisierung eines Mehrphasentransformators beitragen. Die 5 ist eine Draufsicht auf einen Mehrphasentransformator mit zwölf Polen gemäß einem Änderungsbeispiel der ersten Ausführungsform. Ein Mehrphasentransformator 20 gemäß dem Änderungsbeispiel der ersten Ausführungsform umfasst einen Umfangseisenkern 1, zwölf Schenkeleisenkerne 201 bis 212, die auf einer Innenflächenseite des Umfangseisenkerns 1 in festgelegten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sind, und Spulen 301 bis 312, die jeweils auf die zwölf Schenkeleisenkerne 201 bis 212 aufgewickelt sind.
Jeder der zwölf Schenkeleisenkerne 201 bis 212 ist so angeordnet, dass ein Ende in Richtung einer Wickelachse der Spule magnetisch mit dem Umfangseisenkern 1 verbunden ist, und das andere Ende in Richtung der Wickelachse magnetisch mit dem anderen Ende eines weiteren Schenkeleisenkerns der zwölf Schenkeleisenkerne verbunden ist. So kontaktiert beispielsweise ein Schenkeleisenkern 201 der zwölf Schenkeleisenkerne 201 bis 212 einen weiteren Schenkeleisenkern 202, der an den Schenkeleisenkern 201 angrenzt.
Die zwölf Spulen 301 bis 312 sind einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators 20 zu zweit oder zu mehreren zugeordnet. Beispielsweise können die Spulen 301 bis 304 einer R-Phase des Mehrphasentransformators 20 zugeordnet sein. Die Spulen 305 bis 308 können einer S-Phase des Mehrphasentransformators 20 zugeordnet sein. Darüber hinaus können die Spulen 309 bis 312 einer T-Phase des Mehrphasentransformators 20 zugeordnet sein.
Die zwölf Schenkeleisenkerne 201 bis 212 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass die in den Schenkeleisenkernen jeder Phase gebildeten Magnetpfade umso kürzer sind, je größer die Anzahl der Schenkeleisenkerne ist. Betrachtet man beispielsweise einen Mehrphasentransformator mit zwölf Schenkeleisenkernen, so ist die Magnetpfadlänge kürzer ausgebildet als die eines Mehrphasentransformators mit sechs Schenkeleisenkernen.
Wie oben beschrieben, ermöglicht eine Verringerung der Magnetpfadlänge eine Verringerung der Windungszahl. Infolgedessen weisen die Mehrphasentransformatoren geringere Gewichte und verkleinerte Einbauflächen auf, und können daher miniaturisiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, werden die Mehrphasentransformatoren mit den sechs Schenkeleisenkernen und den zwölf Schenkeleisenkernen als Beispiele beschrieben, sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt, wobei die Anzahl der mindestens sechs Schenkeleisenkerne vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist. Dementsprechend kann eine ungerade Anzahl von Spulen, wie 9, 15 oder 21, oder eine gerade Anzahl von Spulen, wie 18 oder 24, vorgesehen sein. Wenn jedoch Spulen, die in einander gegenüberliegenden Positionen eines Mehrphasentransformators angeordnet sind, der gleichen Phase zugeordnet sind, weist der Mehrphasentransformator vorzugsweise eine symmetrische Anordnung auf. In einem solchen Fall ist die Anzahl der mindestens sechs Spulen vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 6.
Anschließend werden die Zuordnungen von Spulen zu einzelnen Phasen eines Mehrphasentransformators beschrieben. Genauer gesagt wird der Zusammenhang zwischen den Zuordnungen von Spulen zu einzelnen Phasen und einer Magnetpfadlänge in einem Mehrphasentransformator beschrieben.
Zunächst wird die Änderung einer Magnetpfadlänge eines Mehrphasentransformators gemäß der Phase der an den Mehrphasentransformator angelegten Wechselspannung beschrieben. Die 6 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung der Eingangsspannung in einem Mehrphasentransformator gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Beispielhalber stellt eine Phase (1) eine Phase dar, in der eine Eingangsspannung zu einer S-Phase 0 [V] wird, und eine Phase (2) stellt eine Phase dar, in der die Eingangsspannung zu der S-Phase maximiert wird.
Die 7 zeigt Verteilungsdiagramme von Magnetfeldern, die beim Anlegen der Wechselspannung an Mehrphasentransformatoren gemäß der ersten Ausführungsform entstehen. In einer Anordnung von „Typ A“ sind zwei bezüglich des Zentrums eines Umfangseisenkerns einander gegenüberliegende Spulen derselben Phase zugeordnet. Genauer gesagt bezieht sich Typ A, wie in einer oberen Reihe der 7 dargestellt, auf eine Anordnung, bei der die Spulen 31 und 34 als R-Phasen-Spulen, die Spulen 33 und 36 als S-Phasen-Spulen und die Spulen 32 und 35 als T-Phasen-Spulen zugeordnet sind.
In einer Anordnung von „Typ B“ ist eine Spule von mindestens sechs Spulen der gleichen Phase wie eine andere, benachbarte Spule zugeordnet. Genauer gesagt bezieht sich Typ B, wie in einer unteren Reihe der 7 dargestellt, auf eine Anordnung, bei der die Spulen 31 und 36 als R-Phasen-Spulen, die Spulen 34 und 35 als S-Phasen-Spulen und die Spulen 32 und 33 als T-Phasen-Spulen zugeordnet sind.
Beim Typ A werden in der Phase (1) zwei Magnetpfade gebildet. Wenn l_A11 und l_A12 die Magnetpfade darstellen, errechnet sich eine mittlere Magnetpfadlänge (l_A11+l_A12) /2 von 450 mm. Zum anderen werden bei dem gleichen Typ A in der Phase (2) zwei Magnetpfade gebildet. Wenn l_A21 und l_A22 die Magnetpfade darstellen, errechnet sich eine mittlere Magnetpfadlänge (l_A21+l_A22) /2 von 565 mm.
Beim Typ B werden in der Phase (1) dagegen zwei Magnetpfade gebildet. Wenn l_B11 und l_B12 die Magnetpfade darstellen, errechnet sich eine mittlere Magnetpfadlänge (l_B11+l_B12) /2 von 515 mm. Zum anderen werden bei dem gleichen Typ B in der Phase (2) zwei Magnetpfade gebildet.
Wenn l_B21 und l_B22 die Magnetpfade darstellen, errechnet sich eine mittlere Magnetpfadlänge (l_B21+l_B22)/2 von 590 mm. Daher ermöglicht das diagonale Anordnen der Spulen der gleichen Phase, wie beispielsweise Typ A, eine Verringerung der Magnetpfadlänge auf 87 % bis 95 %, gegenüber dem Fall, in dem die Spulen der gleichen Phase nebeneinander angeordnet werden, wie beispielsweise Typ B.
Wie oben beschrieben, hat sich herausgestellt, dass die Magnetpfadlänge davon abhängt, wie die Spulen den einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators zugeordnet werden. Außerdem hat sich herausgestellt, dass der Typ A dem Typ B bei der Verringerung der Magnetpfadlänge und damit bei der Miniaturisierung des Mehrphasentransformators überlegen ist.
Anschließend wird ein Mehrphasentransformator gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Die 8 ist eine perspektivische Ansicht des Mehrphasentransformators gemäß der zweiten Ausführungsform. Der Unterschied zwischen einem Mehrphasentransformator 2000 gemäß der zweiten Ausführungsform und dem Mehrphasentransformator 10 gemäß der ersten Ausführungsform besteht darin, dass der Mehrphasentransformator 2000 gemäß der zweiten Ausführungsform einen zweischichtigen Aufbau aufweist, bei dem zwei Mehrphasentransformatoren 11 und 12 in Reihe geschaltet und in senkrechter Richtung in Schichten angeordnet sind. Der andere Aufbau des Mehrphasentransformators gemäß der zweiten Ausführungsform ist der gleiche wie der des Mehrphasentransformators gemäß der ersten Ausführungsform, und daher wird auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet.
Da die beiden Mehrphasentransformatoren 11 und 12 in Schichten in senkrechter Richtung angeordnet sind, kann gemäß dem Mehrphasentransformator der zweiten Ausführungsform, das Volumen des Mehrphasentransformators erhöht werden, ohne dass sein Einbauraum vergrößert wird. Gemäß den Mehrphasentransformatoren entsprechend der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Größe und das Gewicht der Mehrphasentransformatoren durch eine Verringerung der Windungszahl der Spulen zu reduzieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 201352939393 [0002]

Claims

Mehrphasentransformator, umfassend: einen Umfangseisenkern (1); mindestens sechs Schenkeleisenkerne (21 bis 26), die auf einer Innenflächenseite des Umfangseisenkerns in festgelegten Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sind; und Spulen (31 bis 36), die auf jeden der mindestens sechs Schenkeleisenkerne (21 bis 26) aufgewickelt sind, wobei jeder der mindestens sechs Schenkeleisenkerne (21 bis 26) so angeordnet ist, dass ein Ende in Richtung einer Wickelachse der Spule magnetisch mit dem Umfangseisenkern (1) verbunden ist, und das andere Ende in Richtung der Wickelachse magnetisch mit dem anderen Ende eines anderen Schenkeleisenkerns der mindestens sechs Schenkeleisenkerne verbunden ist, und die mindestens sechs Spulen (31 bis 36) einzelnen Phasen des Mehrphasentransformators zu zweit oder zu mehreren zugeordnet sind.
Mehrphasentransformator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der mindestens sechs Spulen (31 bis 36) ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist.
Mehrphasentransformator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der mindestens sechs Spulen (31 bis 36) ein ganzzahliges Vielfaches von 6 ist.
Mehrphasentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei bezüglich eines Zentrums des Umfangseisenkerns (1) gegenüberliegende Spulen derselben Phase zugeordnet sind.
Mehrphasentransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Spule der mindestens sechs Spulen (31 bis 36) der gleichen Phase wie eine andere benachbarte Spule zugeordnet ist.