Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von ersten Wicklungssegmenten einer Transformatorwicklung um einen sich ringförmig um eine Mittelachse erstreckenden Trans- formatorkem, wobei ein jeweiliges erstes Wicklungssegment wenigstens zwei um eine jeweilige Wickelachse angeordnete Windungen eines jeweiligen Wicklungsleiters umfasst, wobei die ersten Wicklungssegmente längs ihrer jeweiligen Wickelachse von dem Transformatorkern durchgriffen werden und wobei die ersten Wicklungssegmente in einem jeweiligen Winkel zueinander um die Mittelachse angeordnet sind

Es ist allgemein bekannt, dass in elektrischen Energieversorgungsnetzen Transformatoren zum Einsatz kommen. Deren Aufgabe besteht darin, Netzbereiche mit verschiedenen Spannungsebenen elektrisch miteinander zu koppeln. Für die Übertragung über längere Strecken sind hierbei höhere Spannungen, beispielsweise 1OkV oder 11OkV geeignet, weil die elektrischen Übertragungsverluste durch den geringeren Stromfluss reduziert werden. Üblicherweise benötigen die Verbraucher in einem elektrischen Netz aber eine geringere Spannung, was bei gleicher elektrischer Leistung einen entsprechend höheren Stromfluss zur Folge hat.

Die Unterspannungswicklung eines elektrischen Transformators muss in der Lage sein, einen entsprechend hohen Strom zu führen, je nach Nennleistung und Nennspannung des Transformators beispielsweise einige 10A bis einige 1000A. Eine Möglichkeit der konstruktiven Vereinfachung eines derartigen Leistungstransformators besteht in dem modularen Aufbau von Ober- und Unterspannungswicklung. Eine entsprechende Anordnung von Wicklungsmodulen für Leistungstransformatoren ist in der PCT/EP2008/003824 beschrieben. Hierbei sind um einen ringförmigen Transformatorkern mehrere Wicklungsmodule mit jeweils einem Unterspannungswick- lungssegment und jeweils einem Oberspannungswicklungssegment angeordnet, wo- bei die Unterspannungswicklungssegmente elektrisch parallel und die Oberspan- nungswicklungssegmente elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Entsprechend der dort offenbarten Lehre wird eine elektrische Verbindung der Wicklungsmodule mittels Kabelstücken vorgeschlagen. Bei der Reihenschaltung der ringförmig angeordneten Unterspannungswicklungssegmente führt dies entweder zu einer ringähnlichen Aneinanderreihung von Kabelstücken mit einer nachteilig hohen Anzahl an Unterbrechungsstellen, nämlich einer pro Wicklungssegment. Alternativ sind die Anschlüsse der Unterspannungswicklungssegmente auch über entsprechende Leitungen sternförmig an einem gemeinsamen Punkt miteinander verbindbar, was dementsprechend unnötig hohe Leitungslängen zur Folge hat.

Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist darüber hinaus, dass die elektrische Parallelschaltung der Unterspannungswicklungen mit Kabelstücken einen hohen Aufwand bezüglich der elektrischen Verbindungen erfordert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit der elektrischen Parallelschaltung der Unterspannungswicklungen aufzuzeigen.

Die Erfindung sieht hierzu vor, dass wenigstens zwei um die Mittelachse konzentrisch angeordnete Sammelschienen (vorgesehen sind, mittels welcher die ersten Wicklungssegmente miteinander elektrisch parallel geschaltet sind.

Durch die der ringähnlichen Struktur des Transformatorkernes folgenden Struktur der Sammelschienen ist einerseits ein nahezu konstanter Abstand zwischen jeweiliger Sammelschiene und den jeweiligen Anschlüssen der vorzugsweise baugleichen Un- terspannungswicklungssegmente erreicht, wodurch der Anschluss an die Sammelschienen für jedes Wicklungssegment in genau gleicher Weise erfolgt. Trotz dieser vereinfachten Montage werden elektrische Verbindungsstellen längs der Sammelschienen in vorteilhafter Weise vermieden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind die Sammelschienen jeweils in wenigstens einem radial zur Mittelachse verlaufenden Mindest- abstand zum Transformatorkern angeordnet sind und der jeweiligen Wicklungsleiter eines jeweiligen ersten Wicklungssegmentes ist zumindest abschnittsweise zwischen Transformatorkern und jeweiliger Sammelschiene angeordnet.

Durch die radial zur Wickelachse eines Wicklungssegmentes außen liegende Anordnung der Sammelschienen ist die Montage des entsprechenden Transformators vereinfacht. Es werden zunächst die Wicklungssegmente auf den Transformatorkern aufgebracht und positioniert. Anschließend wird bei hoher Zugänglichkeit die Verbindungen zwischen Sammelschienen und den jeweiligen Anschlüssen der Wicklungssegmente hergestellt.

Vorzugsweise besteht eine Sammelschiene überwiegend aus Kupfer oder Aluminium. Beide Materialien lassen sich entsprechend einfach in die gewünschte geometrische Form einer entsprechenden Sammelschiene überführen - beispielsweise durch Biegen- und weisen gute elektrische Eigenschaften als Leiter auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein jeweiliges erstes Wicklungssegment zusammen mit wenigstens einem galvanisch getrennten weiteren Wicklungssegment in einem jeweiligen gemeinsamen Wicklungsmodul angeordnet. Die Fertigung eines Transformators, welcher mehrere galvanisch voneinander getrennte Wicklungen aufweist, wird dadurch wesentlich vereinfacht.

Bevorzugter Weise sind das erste und das wenigstens eine weitere Wicklungssegment eines Wicklungsmoduls miteinander vergossen, beispielsweise mit einem geeigneten Isolationsharz. Die mechanische Stabilität der Wicklungen und die Unempfindlichkeit gegen mechanische äußere Einflüsse sowie die Handhabbarkeit werden dadurch weiter gesteigert.

Eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Wicklungsleiter wenigstens eines ersten Wicklungssegmentes ein Bandleiter ist, welcher in seiner jeweils radial innersten und/oder seiner radial äußersten Lage mittels einer Faltung axial seitlich aus dem ersten Wicklungssegment herausgeführt und mit den zugeordneten Sammelschienen elektrisch verbunden ist. Die Verwendung eines Bandleiters erhöht den Füllfaktor einer Wicklung und führt somit zu einer kompakteren Bauweise. Durch eine Faltung des Bandleiters und dessen dadurch ermöglichten seitlichen Ausführung sind eine besonders platzsparende Ausgestaltung des Wicklungssegmentes und ein besonders einfaches Führen des Wicklungsleiters zu den Sammelschienen ermöglicht.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung erfolgt die elektrische Verbindung wenigstens eines Leiterendes mit der zugeordneten Sammelschiene mittels einer Schweißverbindung. Dies ist insbesondere dann für eine dauerhaft zuverlässige elektrische Verbindung vorteilhaft, wenn die Anordnung nicht für eine spätere partielle Demontage vorgesehen ist, beispielsweise für den Austausch eines einzelnen Wicklungssegmentes und die komplette Anordnung zum Beispiel in Harz eingegossen ist.

Ist die Anordnung jedoch für eine derartige partielle Demontage vorgesehen so ist die Ausführung der elektrischen Verbindung wenigstens eines Leiterendes mit der zugeordneten Sammelschiene mittels einer Schraubverbindung vorteilhaft. Diese lässt sich besonders einfach lösen.

Eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bandleiter zwischen seiner jeweiligen Verbindung mit der jeweiligen Sammelschiene und der jeweiligen Faltung zumindest abschnittsweise von einer elektrischen Isolationsschicht umgeben ist. Die Mindestabstände des Bandleiters zu weiteren Komponenten der Anordnung und damit auch die Baugröße der Anordnung sind dadurch vorteilhaft reduzierbar. Selbstverständlich ist eine Umhüllung von Wicklungsleitern, welche keine Bandleiter sind, mit einem geeigneten Isolationsmaterial ebenfalls vom Gedanken der Erfindung erfasst.

Der Querschnitt einer Sammelschiene kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform rechteckig, rund oder trapezförmig ausgeführt sein. Derartige Querschnitte ermöglichen ein besonders gutes Kontaktieren insbesondere mit einem Bandleiter eines jeweiligen Wicklungssegmentes - aufgrund der in diesem Fall verhältnismäßig großen Berührungsfläche der zu kontaktierenden Komponenten - und sind zudem besonders einfach herzustellende Querschnittsformen. Abgerundete Kanten eines an sich rechteck- oder trapezförmigen Querschnitts einer Sammelschiene dienen der Reduktion der maximal auftretenden Feldstärke.

In einer bevorzugten Form weist eine Sammelschiene einen sich über deren Länge erstreckenden Hohlraum auf. Je nach Baugröße der Anordnung ist in deren Betrieb mit einem hohen elektrischen Strom durch die Sammelschienen zu rechnen, wie eingangs erwähnt auch bis zu einigen hundert Ampere, so dass durch den dann eintretenden Effekt der Stromverdrängung der Stromfluss an der Oberfläche der Sammelschienen erfolgt. Durch einen derartigen Hohlraum in der Sammelschiene lässt sich der erforderliche Materialaufwand vorteilhafter Weise senken. Ferner ist damit die Möglichkeit des Durchflutens des Hohlraumes mit einem geeigneten Kühlmittel gegeben.

Erste Wicklungssegmentente sind bevorzugt wenigstens für eine elektrische Spannung von wenigstens 400V vorgesehen. Dies ist die niedrigste typische Bemessungsspannung für elektrische Komponenten in Energieverteilungsnetzen. Selbstverständlich sind auch höhere Bemessungsspannungen, beispielsweise 1OkV, vom Erfindungsgedanken erfasst.

Bevorzugter Weise sind die weiteren Wicklungssegmentente elektrisch in Reihe geschaltet, wobei für die Reihenschaltung eine elektrische Spannung von wenigstens 1000V vorgesehen ist. Durch die Reihenschaltung wird die Spannungsbelastung jedes einzelnen weiteren Wicklungssegmentes in vorteilhafter Weise reduziert. Entsprechend dem Übersetzungsverhältnis einer als Transformator betriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich eine Bemessungsspannung der in Reihe geschalteten weiteren Wicklungen, welche beispielsweise zwischen dem Faktor 2 und dem Faktor von 15 höher ist als die Bemessungsspannung der parallel geschalteten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erstes Wicklungsmodul in dreidimensionaler Ansicht,

Fig. 2 einen Teil eines zweiten Wicklungsmoduls in einer Draufsicht,

Fig. 3 eine Schnittansicht auf eine erste erfindungsgemäße Anordnung sowie

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Anordnung

Fig. 1 zeigt ein erstes Wicklungsmodul 10 in perspektivischer Ansicht. Um eine Wickelachse 99 ist ein erstes Wicklungssegment 12 des ersten Wicklungsmoduls angeordnet. In der Darstellung ist lediglich der Querschnitt des ersten Wicklungssegmentes 12 sichtbar, es ist jedoch als eine Vielzahl an Windungen eines Bandleiters, beispielsweise 5 oder auch 20, aufweisend anzunehmen. Die Wickellagen des Bandleiters sind gegeneinander isoliert, was in der Fig. ebenfalls nicht dargestellt ist. Eine derartige Isolation ist beispielsweise durch eine Ummantelung des elektrischen Leiters vor dem Wickelvorgang oder auch durch ein Einfügen einer separaten Isolationszwischenschicht beim Wickelvorgang des Wicklungssegmentes 12 denkbar.

Das erste Leiterende 16 des Bandleiters ist an der radial äußersten Wickellage des Wicklungssegmentes 12 axial seitlich aus diesem herausgeführt und das zweite Leiterende 18 entsprechend an der radial innersten Wickellage.

Radial außen an das erste Wicklungssegment 12 angrenzend ist ein weiteres Wicklungssegment 14 des ersten Wicklungsmoduls angeordnet, dessen einzelne Wickellagen ebenfalls nicht dargestellt sind. Es ist hier beispielsweise die Verwendung eines gewickelten Rundleiters denkbar, welcher mit einer geeigneten Schicht Isolationsmaterial umhüllt ist.

Erstes 12 und weiteres 14 Wicklungssegment sind miteinander im Wicklungsmodul 10 angeordnet und beispielsweise mit einem Gießharz miteinander verbunden, wodurch die mechanische Stabilität des Moduls gesteigert ist.

Fig. 2 zeigt ein zweites Wicklungsmodul 30 in einer Schnittdraufsicht, welche im Wesentlichen dem ersten in Fig. 1 dargestellten ersten Wicklungsmodul gleicht. Um eine Wickelachse 99 sind ein erstes Wicklungssegment 32 und ein weiteres Wicklungssegment 36 angeordnet.

Im Detail gezeigt ist die Faltung 38 des als Bandleiter ausgeführten Wicklungsleiters des ersten Wicklungssegmentes 32 in seiner radial äußersten Wickellage. Die Ausführung des Wickelleiters erfolgt axial seitlich zu dem dritten Leiterende 34. Die Ausführung des Wickelleiters an seinem anderen Ende in der radial innersten Wickellage ist in der Fig. nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Anordnung 40 von Wicklungsmodulen um eine Mittelachse 100, wobei darstellungsbedingt lediglich eine Schnittdarstellung durch ein drittes Wicklungsmodul 42 und ein viertes Wicklungsmodul 44 gezeigt ist. Je nach Ausführungsform der Anordnung ist aber beispielsweise eine Anzahl von 4 bis 10 Wicklungsmodulen als bevorzugte Anzahl anzusehen. Die Wicklungsmodule 42 und 44 entsprechen im Wesentlichen jeweils dem in Fig. 1 gezeigten ersten Wicklungsmodul 10 und weisen jeweils ein erstes Wicklungssegment 48 bzw. 50 sowie ein weiteres Wicklungssegment 52 bzw. 54 auf. Die Wicklungsmodule 42 und 44 werden von einem ersten Transformatorkern 46 durchgriffen, welcher ringförmig um die Mittelachse 100 angeordnet ist. Die in dieser Darstellung nicht gezeigte Wickelachse der jeweiligen Wicklungsmodule verläuft im Bereich des jeweiligen Wicklungsmoduls 42, 44 längs innerhalb des ringförmigen ersten Transformatorkerns 46.

Ebenfalls ringförmig um die Mittelachse 100 angeordnet sind die erste Sammelschiene 56 und die zweite Sammelschiene 58, welche beispielsweise überwiegend aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sind und welche optional Kontaktiermöglichkeiten, beispielsweise für das Anschrauben eines Leiters, aufweisen. Der radiale Abstand der jeweiligen Wickelachse eines Wicklungsmoduls zu einer jeweiligen Sammelschiene 56, 58 ist für alle Module, auch für die nicht gezeigten Module, annähernd gleich. Im gezeigten Beispiel sind die ersten Wicklungssegmente 48, 50 und die zweiten Wicklungssegmente 52, 54 abschnittsweise jeweils zwischen den Sammelschienen 56, 58 angeordnet. Die Sammelschienen 56, 58 lassen sich also nach Anordnung der Wicklungsmodule 42, 44 auf dem ersten Transformatorkern 46 besonders einfach in diese Anordnung einbringen, indem sie kranzähnlich aufgesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist aus Gründen der Platzersparnis die Anordnung in einer der jeweils vorhandenen Ecken des näherungsweise kreisrunden Querschnitts der jeweiligen Wicklungsmodule 42, 44. Alternativ zu der gezeigten Anordnung der Sammelschienen 56, 58 bietet sich auch eine Anordnung an oder in der Nähe von den mit den Bezugsnummern 60 und 62 angedeuteten Positionen an. Selbstverständlich sind alle möglichen Kombinationsmöglichkeiten der Anordnung der Sammelschienen denkbar, beispielsweise und auch an den beiden radial zur Mittelachse angeordneten Positionen 58 und 62. In diesem Fall wird die von der Anordnung ohne Sammelschienen beanspruchte Außenkontur durch Anordnung der Sammelschienen überhaupt nicht nachteilig erhöht. Die Anordnung bzw. der Transformator kann dadurch kompakter ausgeführt werden.

Bei jedem ersten Wicklungssegment 48, 50 vom jedem Wicklungsmodul 42, 44 sind die beiden Anschlüsse des Wicklungsleiter, der bevorzugt als Bandleiter ausgeführt ist, axial zur jeweiligen Wickelachse herausgeführt und jeweils mit den zugeordneten Sammelschienen 56 bzw. 58 verbunden. Die Verbindung 64, 66, 68. 70 des Wickelleiter mit den Sammelschienen kann beispielsweise sowohl geschweißt als auch geschraubt sein, je nachdem ob eine spätere Demontage der Anordnung, beispielsweise zu Wartungs- oder Reparaturzwecken, vorgesehen ist oder nicht.

Die Ausführung des Wickelleiters als Bandleiter ist für die elektrische Verbindung 64, 66, 68, 70 mit einer Sammelschiene besonders geeignet, weil die zu verbindenden Bauteile im Verbindungsbereich jeweils flächig gegeneinander angeordnet werden können und so eine besonders gute und verlustarme elektrische Verbindung 64, 66, 68, 70 realisierbar ist. Aber auch bei einer senkrechten Anordnung eines Bandleiters zu dem zu kontaktierenden Bereich der Sammelschiene resultiert im Falle einer Schweißverbindung eine längliche Schweißnaht, welche sich ebenfalls durch einen vorteilhaft großen Kontaktbereich auszeichnet.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Anordnung 80, welche im Wesentlichen der in Fig. 3 gezeigten ersten Anordnung gleicht. Um eine Mittelachse 100 sind kreisförmig ein fünftes 82, sechstes 84, siebtes 86 und achtes 88 Wicklungsmodul angeordnet, welche jeweils im Wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten ersten Wicklungsmodul 10 entsprechen. Die Wicklungsmodule werden von ei- nem ringförmigen zweiten Transformatorkern 98 durchgriffen, wobei dieser auch selbstverständlich auch mit einen polygonalen oder rechteckförmigen Grundriss gefertigt sein kann. In diesem Falle wäre vorzugsweise jedem Schenkel des Transformatorkernes je ein Wicklungsmodul zugeordnet. Es ist auch eine der Grundform des Transformatorkerns entsprechende polygonale Ausgestaltung der Sammelschienen denkbar.

Die jeweiligen ersten Wicklungen der Wicklungsmodule 82, 84, 86, 88 sind mittels der dritten 90 und vierten 92 Sammelschiene elektrisch miteinander parallel geschaltet, wobei die Verbindungen in dieser Darstellung nicht gezeigt sind. An jeder Sammelschiene 90, 92 ist ein Anschluss zu Kontaktierung derselben mit weiteren elektrischen Komponenten vorgesehen.

Für einen Einsatz einer derartigen Anordnung, welche die Funktionsweise eine einphasigen Transformators aufweist, in einem dreiphasigen Energieverteilungsnetz sind jeweils drei derartiger Anordnungen elektrisch zu einer Einheit zu verschalten, welche die Funktionalität eines dreiphasigen Transformators aufweist. Insbesondere die modulare Bauweise eines derartigen Transformators vereinfacht den jeweiligen Herstellungsprozess.

Bezuαszeichen liste

erstes Wicklungsmodul erstes Wicklungssegment des ersten Wicklungsmoduls weiteres Wicklungssegment des ersten Wicklungsmoduls erstes Leiterende zweites Leiterende zweites Wicklungsmodul erstes Wicklungssegment des zweiten Wicklungsmoduls drittes Leiterende weiteres Wicklungssegment des zweiten Wicklungsmoduls Faltung erste erfindungsgemäße Anordnung drittes Wicklungsmodul viertes Wicklungsmodul erster Transformatorkern erstes Wicklungssegment des dritten Wicklungsmoduls erstes Wicklungssegment des vierten Wicklungsmoduls weiteres Wicklungssegment des dritten Wicklungsmoduls weiteres Wicklungssegment des vierten Wicklungsmoduls erste Sammelschiene zweite Sammelschiene erste alternative Position für Sammelschiene zweite alternative Position für Sammelschiene erste Verbindung zweite Verbindung dritte Verbindung vierte Verbindung zweite erfindungsgemäße Anordnung fünftes Wicklungsmodul sechstes Wicklungsmodul siebtes Wicklungsmodul achtes Wicklungsmodul 90 dritte Sammelschiene

92 vierte Sammelschiene

94 erster Sammelschienenanschluss

96 zweiter Sammelschienenanschluss

98 zweiter Transformatorkern

99 Wickelachse

100 Mittelachse