DE3836415A1 - Elektromagnetische vorrichtung mit kuehleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung mit Kühleinrichtung.

Elektromagnetische Vorrichtungen wie Transformatoren oder Drosseln umfassen typischerweise eine oder mehrere leitfähige Wicklungen für elektrischen Strom und einen Magnetrahmen, gewöhnlich als Kern be­ zeichnet, in dem der magnetische Induktionsfluß infolge des Stroms in den Wicklungen konzentriert wird.

Um die Betriebsleistung derartiger Vorrichtungen, insbe­ sondere von Transformatoren, zu erhöhen, ist es üblich geworden, spe­ ziell formuliertes ferromagnetisches Bandmaterial, gestaltet in Form ei­ nes Ringkerns, mit spiralförmig um den Kern angeordneten leitfähigen Wicklungen zu verwenden.

Obwohl die Länge des magnetischen Induktionsflußweges in dem Kern eines derartigen Transformators lang ist, bezogen auf die ef­ fektive Länge des Abschnitts der Wicklungen, die den magnetischen Induk­ tionsfluß induzieren, sind derartige Transformatoren relativ leistungs­ fähig und besitzen ein sehr niedriges magnetisches Strahlfeld.

Für Hochleistungsanwendungen, zum Beispiel für in elek­ trischen Unterstationen oder in anderen Leistungsverteilungssystemen verwendeten Transformatoren, ist die Wärmeableitung in dem Kern und den Wicklungen von großen Transformatoren problematisch, so daß derartige große Transformatoren gewöhnlich durch Öl gekühlt werden. Dies erhöht natürlich die Kosten und die Komplexität des Transformators.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kühlende elek­ tromagnetische Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die einen ho­ hen Wirkungsgrad besitzt und dabei selbstkühlend ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird eine elektromagnetische Vorrich­ tung geschaffen, die eine oder mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen und einen zylindrischen Magnetrahmen aufweist, der um die Wicklungen an­ geordnet ist, und zwar im wesentlichen koaxial mit dem dabei angeschlos­ senen Abschnitt der Wicklungen, der Magnetrahmen einen magnetischen In­ duktionsflußweg definiert, der eine Länge besitzt, die geringer ist als die Länge des Abschnitts der Wicklungen, die durch den Magnetrahmen ein­ geschlossen sind, und die Vorrichtung ein oder mehrere Wärmeableitungs­ elemente aufweist, die um die Wicklungen angeordnet sind und quer lau­ fend sich von den Wicklungen erstrecken.

Die elektromagnetische Vorrichtung kann sein, z. B. ein Transformator, eine Drosselspule, eine Drossel oder ein Wandler.

Die Wärmeableitungselemente können aus einem nichtmagne­ tischen Material wie Kupfer, Aluminium oder einem thermisch leitfähigen Keramikmaterial hergestellt sein.

Der Magnetrahmen kann eine Zahl koaxial angeordneter ringförmiger Kernsegmente umfassen, um einen langgestreckten Magnetrah­ men zu bilden.

Jedes Kernsegment ist vorzugsweise aus einem magnetischen Bandmaterial geformt, das zur Bildung eines Ringkerns spiralförmig ge­ wickelt ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfol­ genden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene schematische Darstel­ lung des Transformators gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des zusammenge­ bauten Transformators.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht eines einzelnen Kern­ segments des Transformators der Fig. 1 und 2; und

Fig. 4 ist eine Ansicht eines Kernsegments, ähnlich zu den Kernsegmenten der Fig. 1 und 2, allerdings mit einem in dem magneti­ schen Induktionsflußweg eingearbeiteten Spalt.

In den Fig. 1 und 2 ist dargestellt ein Transformator mit zwei zylinderförmigen Magnetrahmen 10 und 12, von denen jeder zehn koa­ xial angeordnete ferromagnetische, ringförmige Kernsegmente 14 aufweist. Die Kernsegmente 14 sind typischerweise in Spiralform gewickelt aus ei­ nem Band, bestehend aus ferromagnetischem Material wie Bandeisenblech für Transformatoren, um die ringförmigen Kernsegmente zu bilden. Alter­ nativ hierzu können die Kernsegmente 14 aus einem geeigneten Ferritmate­ rial, wie es häufig in Transformatoren, bestimmt für Hochfrequenzanwen­ dungen verwendet wird, hergestellt sein.

Die Wicklungen 16 sind durch die Magnetrahmen 10 und 12 geführt. Die Wicklungen umfassen eine Primärwicklung mit einem Stromlei­ ter 18 und eine Sekundärwicklung mit einem Stromleiter 20. Die Abschnit­ te 26 und 28 der Wicklungen 16 sind eingeschlossen durch oder umhüllt von den magnetischen Rahmen 10 bzw. 12. Die Abschnitte 22 und 24 der Wicklungen 16 sind nicht eingeschlossen. Die eingeschlossenen Abschnitte 26 und 28 sind im allgemeinen koaxial mit dem Magnetrahmen 10 bzw. 12. Der magnetische Induktionsfluß in den Rahmen 10 und 12 fließt peripheral in den Kernsegmenten 14, wie durch die Pfeile 30 und 32 angezeigt.

Flache, rechteckige Wärmeableitungselemente 40 sind ange­ ordnet zwischen benachbarten Kernsegmenten 14 der Magnetrahmen. Die Wär­ meableitungselemente sind hergestellt aus einem Material, das verschie­ den sein kann von dem Material der Kernsegmente. Vorzugsweise ist das Material der Wärmeableitungselemente antimagnetisch und ist ein Metall mit guter thermischer Leitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminium. Alterna­ tiverweise können die Wärmeableitungselemente aus einem thermisch leit­ fähigen Keramikmaterial bestehen. Jedes Wärmeableitungselement 40 be­ sitzt ein darin ausgebildetes Paar Öffnungen 42 und 44, die in der Ab­ messung den zentralen Durchführungen in den Kernsegmenten 40 entspre­ chen. Ist die elektromagnetische Vorrichtung zusammengebaut, wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Öffnungen in den Wärmeableitungselementen mit den Durchführungen in den Kernsegmenten ausgerichtet, wodurch die Strom­ leiter durch die Magnetrahmen geführt werden können. An jedem Ende der Rahmen 10 und 12 sind Platten 46 und 48 angeordnet, die mittels langer Bolzen 50 zusammengehalten werden. Wenn die Bolzen 50 angezogen sind, sind die Kernsegmente der Magnetrahmen fest zusammengedrückt, wodurch die Kernsegmente und die Wärmeableitungselemente in innigem Kontakt mit­ einander gehalten werden. Dies vereinfacht die Übertragung der Wärme von den Wicklungen und den Kernsegmenten auf die Wärmeableitungselemente.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht eines einzelnen ring­ förmigen Kernsegments 14, das spiralförmig gewickelt ist aus ferromagne­ tischem Material wie Bandeisenblech 34 für Transformatoren. Der indu­ zierte wechselnde oder schwankende magnetische Fluß in dem ringförmigen Kernelement bewirkt Wärmeverluste, die durch Wahl des Bandmaterials oder durch Verringern der Flußweglänge minimiert werden können, wobei letz­ teres in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt wird. Bei der dargestell­ ten Kernsegmentkonstruktion kann die Höhe der Kernsegmente 14 sowie ihre inneren und äußeren Durchmesser gemäß den Erfordernissen der Transforma­ torausbildung bequem variiert werden.

Der dargestellte Transformator hat verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Transformatoren, bei denen "Kern-", "Mantel-", "Topf-" und herkömmliche ringförmige Magnetrahmen Verwendung finden. Die magnetischen Induktionswege 30 und 32 sind relativ kurz, verglichen mit den Längen der Abschnitte 26 und 28 der Wicklungen 16, die von den Rah­ men 10 und 12 eingeschlossen sind. Die "nicht arbeitenden" Abschnitte 22 und 24 der Wicklungen 16 sind relativ kurz, verglichen mit der Länge der "arbeitenden" Abschnitte 26 und 28. Dies bewirkt einen Transformator mit niedrigen magnetischen Verlusten und hohem Wirkungsgrad. (Die "nicht ar­ beitenden" Abschnitte der Wicklungen sind definiert als die Abschnitte der Wicklungen, die nicht von den Magnetrahmen eingeschlossen bzw. um­ hüllt sind und außerhalb dieser liegen und daher keinen nutzbaren Induk­ tionsfluß in den Magnetrahmen erzeugen. Die "arbeitenden" Abschnitte der Wicklungen 16 sind definiert als die Abschnitte, die von den Magnetrah­ men eingeschlossen und im wesentlichen koaxial zu diesen sind, und daher zur Erzeugung nutzbaren Induktionsflusses in den Magnetrahmen geeignet sind.)

Die Gruppe von Wicklungen 16 sind vollständig durch die Magnetrahmen 10 und 12 eingeschlossen, so daß die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen außerordentlich gut und der Streufluß außeror­ dentlich niedrig ist.

Die ringförmigen Kernsegmente können eine verhältnismäßig geringe Vielzahl verschiedener Abmessungen umfassen, und sind daher wirtschaftlich herzustellen. Eine große Zahl verschiedener Transforma­ torkenndaten können folglich einfach durch Variieren der Zahl der Kern­ segmente 14, die von den Magnetrahmen 10 und 12 umfaßt sind, erzeugt werden.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel findet Anwendung in der allgemeinen Stromverteilung und Transformierung. Ob­ wohl unüblich in der Form im herkömmlichen Sinn, würde die längliche Form des Transformators bequem Anwendung finden in am Pol angebrachter Verteilung und heruntertransformierenden Transformatoren und in Unter­ stationen. Der beschriebene Transformator ist wesentlich billiger in der Herstellung als ähnliche für Ölkühlung ausgelegte Transformatoren.

Die benötigten Windungen-pro-Volt können verringert wer­ den durch Erhöhung der Betriebsfrequenz des Transformators, wodurch der elektrische Widerstand der Windungen 16 verringert wird. Obwohl Hochfre­ quenzbetrieb die magnetischen Verluste in dem Kern erhöht, werden diese ausgeglichen durch die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Methode, um den magnetischen Flußweg zu verringern. Hochfrequenzbetrieb wird aus­ geführt durch Speisen des Transformators von dem Ausgang eines Inverters oder Chopperinverters anstelle von herkömmlichen Netzgeräten. Bei sorg­ fältiger Gestaltung kann Hochfrequenzbetrieb bis zu mittleren Tonfre­ quenzen erreicht werden mit ringförmigen Kernelementen in dem Transfor­ mator aus herkömmlichem Transformatorbandblech.

Infolge der Verkürzung der magnetischen Flußwege 30 und 32 ist die Flächenausdehnung der Magnetrahmenelemente reduziert, was ihr Leistungsvermögen beeinträchtigt, die Wärme über konventionelle Strah­ lung/Konvektion abzuleiten, die während des Betriebs in ihnen erzeugt wird. Aus diesem Grund wird die Wärmeableitung verbessert durch das Ein­ bauen der Wärmeableitungselemente oder von Kühlkörpern 40. Die in den Wicklungen oder den Kernsegmenten der elektromagnetischen Vorrichtung erzeugte Wärme wird durch Wärmeleitung auf die Kühlbleche 40 übertragen und dann durch Strahlung/Konvektion von den Kühlkörpern 40 an die Umge­ bung weitergegeben.

Die Wicklungen 16 können umfassen einzelne isolierte elektrische Wicklungsdrähte, Leitungsstangen, Haarnadelschleifen und Haarnadelschleifen, deren Enden miteinander verbunden sind, um einen kontinuierlich "gewickelten" Leiter zu bilden. Die Wicklungen können ge­ drückt oder gezogen sein. Die Wicklungen 16 können von geeigneten Kör­ pern gehalten werden, um sie zu schützen und sie davon abzuhalten, in direktem Kontakt mit den Magnetrahmen 10 und 12 zu gelangen.

Drosseln und Drosselspulen können so konstruiert sein, ebenso wie Transformatoren. Fig. 4 zeigt ein Kernsegment, ähnlich den in Fig. 1 und 2 dargestellten Kernsegmenten, außer daß eine Vorkehrung ge­ troffen wurde für einen Spalt 36 in dem Induktionsflußweg. Der Spalt wird eingearbeitet während der Herstellung und kann einfach variiert werden durch Anwendung von geeignetem Druck auf den Umfang des Kernseg­ ments gegen die natürliche Neigung des Kernsegments zu expandieren. Die­ ser Druck und die resultierende Bewegung des Kernsegments muß begrenzt werden, um Arbeits-Erhärtung des magnetischen Materials zu verhindern, was die magnetischen Eigenschaften des Kernsegments beträchtlich beein­ trächtigen könnte.

Das Einbringen der Wicklungen 16 zur Bildung des Trans­ formators kann ausgeführt werden durch Einfädeln der Wicklungsdrähte, Wicklung-für-Wicklung, durch die hohlen Abschnitte der Magnetrahmen 10 und 12 der Fig. 1. Alternativ hierzu können die Spulen aus Draht zuerst in Wicklungen vorgeformt werden und danach die Magnetrahmen, die während ihrer Herstellung mittels eines Luftspalts aufgetrennt wurden, ähnlich dem Spalt 36 in Fig. 4 leicht geöffnet werden, um Arbeits-Erhärtung des magnetischen Materials, aus dem sie hergestellt sind, zu verhindern und die Spulen durch den geöffneten Spalt in Stellung zu führen. Der Spalt wird dann geschlossen. Die Spalten in den einzelnen Schichtungen 34 der ringförmigen Kernsegmente 14 können dann versetzt werden, um den vollen durch die Kernsegmente beschriebenen Kreis, um die möglichen normwidri­ gen Effekte, die diese auf die magnetischen Eigenschaften der Kernele­ mente haben können, zu reduzieren.

Claims (15)

1. Elektromagnetische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind eine oder mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen (16) und ein zylinderförmiger Magnetrahmen (10, 12), der um die Wicklun­ gen angeordnet und im wesentlichen koaxial mit dem Abschnitt der dadurch eingeschlossenen Wicklungen ausgerichtet ist, der Magnetrahmen einen magnetischen Induktionsflußweg (30, 32) definiert mit einer Länge, die geringer ist als die Länge des Abschnitts (26, 28) der Wicklungen, die von dem Magnetrahmen umhüllt sind, und die Vorrichtung eine oder mehrere Wärmeableitungselemente (40) aufweist, die um die Wicklungen angeordnet und sich quer verlaufend von den Wicklungen erstrecken.

2. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) thermisch verbunden sind mit den leitfähigen Wicklungen (16).

3. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) thermisch verbunden sind mit dem Magnetrahmen (10, 12).

4. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetrahmen (10, 12) eine Viel­ zahl im allgemeinen ringförmiger Kernsegmente (14) aufweist, die von ei­ nem Ende zum anderen gestapelt sind zur Ausbildung des Magnetrahmens mit einer langen rohrförmigen Form.

5. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) zwischen benachbar­ ten Kernsegmenten (14) angeordnet sind und quer verlaufend von dem Ma­ gnetrahmen (10, 12) vorspringen.

6. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß zwei oder mehrere Magnetrahmen (10, 12) nebeneinan­ der angeordnet sind, wobei mindestens einige der Wärmeableitungselemente (40) den Magnetrahmen gemein sind und sich dazwischen erstrecken.

7. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) als Bleche ausgebildet sind, die im wesentlichen in Ebenen liegen, die sich quer verlaufend zu den Längsachsen des Magnetrahmens oder der Magnetrah­ men (10, 12) erstrecken.

8. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) aus flachem Blechmaterial bestehen, und jedes Wärmeableitungselement eine oder mehrere Öffnungen (42, 44) entsprechend den Durchführungen in den Kernsegmenten (14) aufweist, wobei die Öffnungen in den Wärmeableitungs­ elementen mit den Durchführungen in den Kernsegmenten ausgerichtet sind.

9. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kernsegment (14) aus einem Band eines magnetischen Materials, das spiralförmig zur Ausbildung eines Ringkerns gewickelt ist, hergestellt ist.

10. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kernsegment (14) aus einem Fer­ ritmaterial geformt ist.

11. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kernsegmente (14) mit einem radial sich erstreckenden Flußspalt (36) ausgestattet sind.

12. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) aus Metall bestehen.

13. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) aus einem nichtmetallischen Material bestehen.

14. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein thermisch leitfähiges Keramikmate­ rial ist.

15. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungselemente (40) aus einem antimagnetischen Material bestehen.