Elektrisches Bauteil mit Wicklung und Anzapfung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft das Vorsehen einer Anzapfung in einer Wicklung eines elektrischen Bauteils. Insbesondere betrifft die Erfindung elektrische Hochleitungstransformatoren oder -drosseln mit einer verbesserten Anzapfungsstruktur. Elektrische Bauteile umfassen Wicklungen, um magnetische Felder zu erzeugen, oder um elektromagnetische Felder in Leistung umzuwandeln. Die Haupteinsatzgebiete derartiger Bauteil mit Wicklungen sind Transformatoren, die mittels Primär- und Sekundärwicklungen Spannungs- und Stromumwandlungen ermöglichen. Ferner werden Wicklungen in Drosseln eingesetzt, um durch den Auf- und Abbau von magnetischen Feldern den Stromfluss als Phasenschieber zu beeinflussen. Die genannten Bauteile dienen der Beeinflussung des Flusses elektrischer Leistung, wohingegen beispielsweise Elektromagneten und elektrische Maschinen als weitere Beispiele für Bauteile mit Wicklungen dazu verwendet werden, elektrische Leistung in mechanische Leistung beziehungsweise Kraft umwandeln.

Die Erfindung wird vornehmlich in Transformatoren eingesetzt. Diese umfassen Primärwicklungen, die ein magnetisches Wechselfeld in einem Magnet erzeugen, das in Sekundärwicklungen eine Spannung induziert. Ein weiteres Einsatzgebiet der Erfindung liegt auf dem Bereich der elektrischen Maschinen, in denen mittels Wicklungen, durch die Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugt wird, welches eine Drehbewegung eines Rotors

hervorruft. In umgekehrter Wirkungsrichtung kann eine elektrische Maschine auch mechanische Rotation in elektrische Leistung umwandeln. Ferner dient die Wicklung in einem Hubmagneten der Zeugung eines magnetischen Feldes, das eine lineare Bewegung eines magnetischen Gegenstands hervorruft.

Stand der Technik

Zur Reduktion der Baugröße und Konzentration des magnetischen Feldes wird der Leiter, der den elektrischen Strom führt, in der Form einer Spule aufgewickelt, beispielsweise um einen Hohlraum herum oder vorzugsweise um einen magnetischen Werkstoff, der als Magnetkern ausgebildet ist, um das magnetische Feld zu führen.

Im Allgemeinen weist eine Wicklung die Form eines Rings mit rechteckigem Querschnitt auf, der durch einen vielfach umlaufenden und gleichmäßig verteilten Leiter gebildet wird. Neben den beiden Endanschlüssen des Leiters ist es in vielen Bereichen zweckmäßig, den Leiter auch an einer Stelle zwischen den Enden mittels einer Anzapfung zu kontaktieren, beispielsweise zum flexiblen Betreiben mit verschiedenen Betriebsspan- nungen/-strömen, als Redundanz, falls ein Wicklungsabschnitt ausfällt, zum Zuweisen von verschiedenen Funktionen zu verschiedenen Wicklungsabschnitten, oder aus ähnlichen Gründen. Um solche Anzapfungen anzubringen, wird der Wicklungsvorgang, der auf dem Drehen eines Wicklungskörpers oder einer Drahtführung basiert, zum Kontaktieren des Leiters zwischen den zwei Leiterenden unterbrochen. Die oberste Windung, das heißt die Leiterstelle, die dem Leiterabschnitt am nächsten ist, der zuletzt gewickelt wurde, wird daraufhin mit einem Anzapfungsleiter verlötet und die Lötstelle wird elektrisch isoliert, bevor der Wicklungsvorgang fortgesetzt wird.

Dieser diskontinuierliche Arbeitsablauf führt zu längeren Pause während des Wicklungsvorgangs und somit zu ineffektiven Ausnutzung der Wickelmaschinen, wodurch sich hohe Herstellungskosten ergeben.

Es ist daher in der Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Mechanismus zur Anzapfung von Wicklungen elektrischer Bauteile vorzusehen, mit dem der Wicklungsvorgang verbessert werden kann.

Abriss der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch das elektrische Bauteil nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 8, die Wickelvorrichtung nach Anspruch 14 und die Steuerungseinrichtung nach Anspruch 15.

Die Erfindung beruht auf dem erfinderischen Konzept, demnach der Leiter, der die Wicklung bildet, an der Anzapfstelle auch als zumindest Teil des Anzapfleiters zu verwenden und dementsprechend an der Abzapfstelle geneigt zum sonstigen Wicklungsverlauf zu krümmen. Erfindungsgemäß verlässt der Leiter in einem Kontaktabschnitt, an dem die Anzapfung erfolgen soll, die übliche dort bestehende Umlaufrichtung um eine geschlossene oder offene Schleife zu bilden, und folgt nach dem Kontaktabschnitt dem Wicklungsverlauf in der vorgegebenen Umlaufrichtung. Auf diese Weise bildet der Leiter, der zur Ausbildung der Wicklung verwendet wird, innerhalb des Kontaktabschnitts einen Teil des Anzapfleiters, der aus der Wicklung herausgeführt wird.

Dadurch können Anzapfungen nur durch spezielle Führung des Leiters während des Wicklungsvorgangs vorgesehen werden. Das Einbringen von Anzapfungen erfordert so nur Arbeitsschritte, Maßnahmen oder Werkzeuge, die bereits beim Wickeln verwendet werden. Die Unterbrechung des Wicklungsvorgangs ist dadurch minimal und es ist nicht erforderlich, während des Wickeln spezielle Werkzeuge zum Ausführen der Anzapfung zu verwenden, beispielsweise Lötgeräte, Schweißgeräte, Vorrichtungen zum Isolieren der Anzapfung, Schraub- oder Bohrvorrichtungen, Geräte zum Anbringen von Klemmen oder ähnliches. Die Umsetzung der Erfindung erfordert lediglich eine modifizierte Betätigung der Wickelvorrichtung, die den Leiter um die Wicklung beziehungsweise um den Wicklungskem führt, um spezielle radiale und/oder axiale Bewegungen auszuführen, mittels derer die Anzapfung gebildet werden.

Vorzugsweise entspricht der Verlauf des Leiters in dem Kontaktabschnitt einer zumindest teilweise geschlossenen Kurve, beispielsweise einem U, einem Kreisabschnitt oder einem Ellipsenabschnitt. Der Leiter kann innerhalb des Kontaktabschnitts auch

abschnitsweise verschiedene Formen aufweisen, wobei Abschnitte des Leiters parallel zueinander angeordnet sein können.

Die Stelle, an dem die Neigung des Leiters beginnt, das heißt das eine Ende des Kontaktabschnitts, ist vorzugsweise nur um einen geringen Abstand von dem anderen Ende des Kontaktabschnitts, beziehungsweise von der Stelle, an der die Wicklung fortgeführt wird, entfernt. Die so gebildete Schleife oder Lasche weist vorzugsweise eine Länge auf, die das Herausführen eines Teiles der Schleife beziehungsweise Lasche aus der Wicklung heraus erlaubt. Somit steht nach Fertigstellung der Wicklung ein Teil der Schleife zur externen Kontaktierung zur Verfügung. Alternativ kann die Wicklung an dem einen Ende des Kontaktabschnitts um einen Abstand zu der Wicklung an dem anderen Ende des Kontaktabschnitts versetzt sein, der sich im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Wicklung erstreckt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kurve einen Abschnitt mit einer Gesamtkrümmung von 270 Grad oder mehr auf. Dieser Abschnitt wird durch Abwinklungs- stellen begrenzt, die die Krümmung in diesen Abschnitt einleiten beziehungsweise die den Leiterverlauf von dem Abschnitt, der eine Gesamtkrümmung von 270 Grad aufweist, in einen Verlauf entlang der Umlaufrichtung der Windung überführen. Die Gesamtkrümmung innerhalb des Abschnitts kann auch mehr als 270 Grad betragen, beispielsweise wenn der Leiter innerhalb des Kontaktabschnitts die Form eines großen griechischen Omegas aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Leiter innerhalb des Kontaktabschnitts einen Verlauf auf, der senkrecht zum üblichen Leiterverlauf ist, das heißt zumindest abschnittsweise senkrecht zum Verlauf des Leiters direkt vor dem Kontaktabschnitt ausgerichtet ist. Außerhalb des Kontaktabschnitts verläuft der Leiter tangential zur Umlaufrichtung des Leiters und senkrecht zu der Achse, die durch das Umlaufen des Leiters gebildet wird. Innerhalb des Kontaktabschnitts steht der Leiter zumindest abschnittsweise radial zu dieser Achse von dem elektrischen Bauteil ab. Alternativ verläuft der Leiter innerhalb des Kontaktabschnitts abgewinkelt beziehungsweise zumindest abschnittsweise senkrecht zum Verlauf des Leiters außerhalb des Kontaktabschnitts und parallel zu der Achse, die der Leiter außerhalb des Kontaktabschnitts umläuft. Innerhalb des

Kontaktabschnitts verläuft der Leiter somit angewinkelt zum Verlauf des Leiters außerhalb des Kontaktabschnitts und zumindest abschnittsweise senkrecht oder parallel zu einer Symmetrieachse, das heißt einer Achse, die durch den Umlauf der Wicklung definiert ist.

Im Falle einer säulenförmigen Wicklung, beispielsweise eine zylindrische Wicklung, bei der die Windungen einen Hohlzylinder bilden, verläuft somit der Leiter oder ein Abschnitt des Leiters innerhalb des Kontaktabschnitts entweder senkrecht zur Umlauffläche der Wicklung oder parallel zur Längsachse der Wicklung (das heißt tangential zur Umlauffläche), um die Anzapfung zumindest teilweise auszubilden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Wicklung des erfindungsgemäßen elektrischen Bauteils mindestens ein Stützelement, das innerhalb des Kontaktabschnitts den Leiter stützt. Durch das Stützelement wird der Leiter innerhalb des Kontaktabschnitts in einer Schleifenform geführt, beispielsweise in U-Form, wobei die Schleife radial zu einer Symmetrieachse der Wicklung absteht. Alternativ kann das Stützelement auch parallel zu einer Symmetrieachse der Wicklung vorgesehen sein, so dass in dem Kontaktabschnitt der Leiter senkrecht zur Umlaufrichtung und parallel zu einer Längsachse der Wicklung verläuft und teilweise aus einer Kopf- beziehungsweise Bodenfläche der Wicklung hervorsteht. Durch die Verwendung des Stützelements wird die mechanische Stabilität innerhalb des Kontaktabschnitts verbessert. Ferner kann das Stützelement zum Ausformen des Leiterverlaufs innerhalb des Kontaktabschnitts im Zuge des Wickelvorgangs verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Wicklungsverlauf an einem Ende des Kontaktabschnitts so fortgeführt, wie es durch den Wicklungsverlauf an dem anderen Ende des Kontaktabschnitts vorgesehen ist, beziehungsweise in der Form und an der Stelle, wie es durch den Verlauf der Windung vor dem Kontaktabschnitt vorgegeben ist. Alternativ kann der Wicklungsverlauf an einem Ende des Kontaktabschnitts in axialer Richtung zum Wicklungsverfahren an dem anderen Ende des Kontaktschnitts versetzt sein. Beispielsweise kann ein Ende des Kontaktabschnitts in einer bestimmten Höhe zwischen einer Kopf- oder Bodenfläche vorgesehen sein, beispielsweise in der Mitte, während das andere Ende des Kontaktabschnitts an der Kopf- oder an der Bo-

denfläche der Wicklung vorgesehen ist. Dies wird beispielsweise erreicht, indem vor dem Ausbilden der Anzapfung der Leiter in einer ersten axialen Höhe geführt wird, daraufhin bei erreichen des Kontaktabschnitts die Anzapfung durch entsprechende Führung des Leiters ausgebildet wird, und nach dem Ausbilden der Anzapfung die Wicklung in einer zweiten axialen Höhe fortgeführt wird, die sich von der ersten unterscheidet. Zur Ausgleichung der dadurch entstehenden Wicklungslücke kann darauf hin ein Wicklungsabschnitt, beispielsweise mit der Dicke einer Windung, in dieser Wicklungslücke eingeführt werden.

Das elektrische Bauteil kann ein Hochleistungstransformator sein, der beispielsweise drei Wicklungen umfasst, die ein Drehstromsystem bilden. Vorzugsweise umfasst der Hochleistungstransformator eine Oberspannungsseite und eine Unterspannungsseite, die jeweils drei Wicklungen umfassen, und die jeweils in Dreieck- oder Sternschaltung zusammengeschaltet sind. Neben den Wicklungen umfasst der Hochleistungstransformator ferner einen Eisenkern, der als Joch zur magnetischen Verbindung der Wicklungen dient. In einer bevorzugten Ausführung ist das elektrische Bauteil ein Hochleistungstransformator mit drei Wicklungsblöcken, in deren Inneren sich jeweils ein magnetischer Kern befindet, wobei die Kerne über jeweils ein Joch an deren Ober- beziehungsweise Unterseite miteinander verbunden sind. Ein Wicklungsblock eines Transformators umfasst eine äußere Oberspannungs-Wicklung und eine innere Unterspannungs-Wicklung die konzentrisch den jeweiligen Magnetkern umgreift. In einer bevorzugten Ausführung ist zwischen der Oberspannungs-Wicklung und der Unterspannungs-Wicklung ein ringförmiger Raum für axiale Kühlkanäle vorgesehen. In diesen Kühlkanälen können die Anzapfungen und die zu den Anzapfungen führenden Leiter vorgesehen sein, wobei die Anzapfungen aus Leitern der Oberspannungs-Wicklung oder der Unterspannungs-Wicklung oder aus beiden Wicklungen gebildet sind.

In einer weiteren Ausführung ist das elektrische Bauteil als eine Drossel vorgesehen, die von der Wicklung gebildet wird. Die Drossel kann aus einer Wicklung mit einem Kern oder aus drei Wicklungen mit einem Kern ausgebildet sein. Je nach Beschaltung können Wicklungsteile als Drossel geschaltet sein, die parallel oder seriell mit dem Hochleistungstransformator zusammengeschaltet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Bauteil ein e- lektrischer Hochleistungsmagnet oder eine elektrische Hochleistungsmaschine. Im Falle des Magneten ist die Wicklung vorzugsweise in Ringform mit rechteckigem Querschnitt entlang einer Ebene, die parallel zur Längsachse verläuft (Längs-Querschnitt), wobei die Wicklung über die oben beschriebene Anzapfungsstruktur in verschiedene Abschnitte unterteilt werden kann, um verschiedene Betriebsspannungen oder Betätigungsstärken zu ermöglichen. Obwohl sich die Wicklungsstruktur von elektrischen Maschinen prinzipiell von der Wicklungsstruktur von Transformatoren, Drosseln oder Magneten unterscheiden kann, ist es auch bei elektrischen Maschinen möglich, eine Anzapfung wie oben beschrieben auszuführen. An die Stelle der Umlaufrichtung tritt in diesem Fall die an dem Kontaktabschnitt bestehende Wicklungsrichtung, falls die Wicklungen nicht in der Form eines Ringes mit rechteckigem Längs-Querschnitt ausgebildet sind.

Die oben genannten Drosseln, Transformatoren, elektrischen Magnete oder elektrische Maschinen sind vorzugsweise für Hochleistungen von mehr als 1 kVA, vorzugsweise für Leistungen größer als 10 kVA und insbesondere für Leistungen größer als 250 kVA vorgesehen. Die Nenn-Betriebsspannung, bei Transformatoren die Oberspannungsseite, beträgt mindestens 230 V, vorzugsweise mindestens 1 kV und insbesondere mindestens 10 kV.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauteils vorgesehen, welches eine Wicklung mit Anzapfung umfasst, wobei der Leiter um eine Drehachse gewickelt wird und einer Anzapfung hinzugefügt wird, indem der Leiter in eine Richtung geführt wird, die geneigt zu der Umlaufrichtung ist, die während des Aufwickeins des Leiters verwendet wird.

Eine Anzapfung kann demnach wie oben beschrieben dadurch vorgesehen werden, dass der Leiter zu einer Schleife gebogen wird. Vor und nach dem Erzeugen der Schleife wird der Leiter um eine Drehachse aufgewickelt. Vorzugsweise wird dies vorgesehen, indem der Leiter entsprechend exzentrisch um eine Drehachse geführt wird, das heißt periodisch zwischen einem oberen Axialende und einem unteren Axialende, wobei der Radialabstand zur Achse stetig zunimmt. In einer Ausführung wird ein feststehender Wicklungskörper verwendet, um den herum, radial zu einer Drehachse beabstandet,

der Draht geführt wird. Die Drahtführung führ so eine Drehung radial beabstandet zu einer Drehachse aus, wobei sich der radiale Abstand langsam und kontinuierlich vergrößert, um der im Durchmesser zunehmenden Wicklung Rechnung zu tragen. Gleichzeitig wird der Draht periodisch in axialer Richtung zwischen einem oberen und einem unteren Ende hin- und hergeführt wird.

Alternativ führt die Führung des Drahts keine Drehbewegung aus, sondern es wird ein sich drehender Wicklungskörper für die entsprechende Wicklung verwendet, und die Drahtführung führt lediglich die oben beschriebene periodische axiale und langsame stetig radiale Bewegung durch. In einer weiteren Ausführung führt die Führung des Drahts nur die periodische axiale Bewegung durch, wobei die Halterung des entstehenden Wicklungskörpers zumindest eine weitere der oben beschriebenen Bewegungen in entsprechender Weise ausführt. In einer weiteren Ausführungsform wird der Leiter mittels einer feststehenden Führung ausgewickelt, wobei eine Wicklungsvorrichtung die oben genannten Bewegungskomponenten übernimmt. Prinzipiell können die oben genannten Bewegungskomponenten der Führung der Leitung oder der Bewegung der Wicklung einzeln und teilweise oder vollständig zugeordnet werden. Erfindungsgemäß kann eine Vorrichtung verwendet werden, die zwischen der Leiterführung und der entstehenden Wicklung beziehungsweise deren Halterung zur Führung des Leiters eingefügt wird und die eingerichtet ist, die zur Ausführung der Anzapfung, das heißt die Schleifenbildung notwendigen Bewegungen der Leiterführung und/oder des Wicklungskörpers auszuführen. So kann beispielsweise die entsprechende Wicklung lediglich eine Drehbewegung ausführen und eine Leiterführung eine periodische axiale und stetige Radialbewegung ausführen, um die Wicklung auszubilden, wobei eine zwischen Wicklung und Leiterführung vorgesehene Vorrichtung die axialen und/oder radialen Bewegungen ausführt, um eine Schleife zu formen, die sich zumindest teilweise radial von der Längsachse der Wicklung weg erstreckt, oder die sich zumindest teilweise parallel zur Längsachse erstreckt.

Bei dem Wicklungsvorgang von Hochleistungstransformatoren führt die bereit entstandene Wicklung keine Rotationsbewegung durch, um zu vermeiden, dass das hohe Gewicht und somit die Schwungmasse der entstandenen Wicklung die Steuerung des

Wicklungsvorgangs und die mechanische Spannung der aufgewickelten Leitung nicht nachteilig beeinflusst.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird zum Ausbilden der Anzapfung der Leiter in einer Richtung geführt, die zum einen senkrecht zur örtlichen Umlaufrichtung ist. Zum anderen wird gleichzeitig der Leiter in eine Richtung geführt, die senkrecht zur Umlaufrichtung, parallel zur Umlaufrichtung, oder eine Linearkombination dieser Richtungen ist.

In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird zum Herstellen einer Wicklung, die in axialer Richtung begrenzt ist, die Anzapfung vorgesehen, indem der Leiter parallel zur Drehachse und geneigt zur örtlichen Umlaufrichtung über eine Stelle hinausgeführt wird, die die Grenze der Wicklung in axialer Richtung markiert. Eine derartige Grenze wird beispielsweise durch ein Kopfende, eine Kopffläche oder eine Bodenfläche der Wicklung markiert. Auf diese Weise kann die Anzapfung kontaktiert werden, ohne die fertig gewickelte Wicklung verändern zu müssen.

In einer weiteren Ausführung wird die Anzapfung vorgesehen, indem der Leiter in radialer Richtung über einen Abstand hinausgeführt wird, der der Außenfläche der Wicklung nach Fertigstellung entspricht. Hierdurch wird ebenfalls erreicht, dass die Anzapfung ohne änderung der Wicklung beispielsweise an eine Anzapfungsleitung angeschlossen werden kann.

Vorzugsweise ist die Anzapfung zwischen den beiden Enden der Leitung vorgesehen, die zur Wicklung geformt wird. Alternativ kann jedoch auch das in radialer Richtung innen liegende Ende und/oder das außen liegende Ende als erfindungsgemäße Anzapfung vorgesehen werden.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Bauteil zwei konzentrische Wicklungen, die jeweils ein Wicklungsende an der Wicklungsseite aufweisen, die zu der anderen Wicklung benachbart ist, das heißt an der Stelle, an der beide Wicklungen aufeinander treffen oder über einen Kühlkanal getrennt sich gegenüberliegen. In dieser bevorzugten Ausführung sind diese beiden innen liegenden Wicklungsenden ebenfalls als Anzap-

fung ausgeführt, indem deren Leiter zur Umlaufrichtung geneigt ausgebildet sind. In diesem Fall ist die Anzapfung jedoch nicht als teilweise geschlossene Kurve sondern als zur Umlaufrichtung quer verlaufender Leitungsabschnitt ausgebildet. Vorzugsweise verläuft in diesem Fall der Leiter als Anzapfung senkrecht zur örtlichen Umlaufrichtung und parallel zur Längsachse des Bauteils.

Gemäß einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Schritt des Hinzufügens einer Anzapfung das Einfügen eines Stützelements, das in mechanischen Kontakt zu dem Leiter gebracht wird.

Das zugrunde liegende erfinderische Konzept, das darin besteht, den Leiter, welcher die Wicklung bildet, auch zur Ausformung einer Anzapfung zu verwenden, wird ferner mittels einer Wickelvorrichtung realisiert, die eingerichtet ist, ein elektrisches Bauteil gemäß der Erfindung herauszustellen.

Das erfinderische Konzept kann ferner mittels einer Steuerungseinrichtung umgesetzt werden, die eine steuerbare Wickelvorrichtung derart steuert, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Insbesondere bei Verwendung von in ihren Bewegungen frei programmierbaren Wickelvorrichtungen wird das erfinderische Konzept durch die Software realisiert, die eingerichtet ist, in einer Steuerungseinrichtung ablaufen zu können. Diese Software kann in Form eines Datenträgers vorgesehen sein, der derart mit der Steuerungseinrichtung und der Wickelvorrichtung zusammenwirkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird und/oder ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil hergestellt wird. Abhängig von der Steuerungseinrichtung und der Wickelvorrichtung kann die Software somit aus Befehlen in Kombination mit Bewegungsparametern oder nur aus Bewegungsparametern bestehen, beispielsweise Koordinaten, Geschwindigkeiten, Vektorangaben, Beschleunigungsinformation und/oder zugeordnete Steuerkodes.

Als Leiter wird vorzugsweise ein Kupfer- oder Aluminiumdraht vorgesehen, der auf einer Rolle gelagert ist und von dieser gefördert wird. Der Leiter umfasst ferner eine äußere Isolationsschicht, beispielsweise aus Kunststoff, Glasfasergewebe, Karbongewebe, Harze, beispielsweise Epoxydharze, oder eine Kombination hiervon. In einer bevorzug-

ten Ausführung ist der Leiter mit einer Ummantelung der thermischen Klasse H isoliert. Das elektrische Bauteil umfasst vorzugsweise eine Isolation von Wicklungslagen und/oder einer äußeren Kapselung der Wicklung aus glasfaserarmierten Epoxydharzformstoff der thermischen Klasse F.

In einer weiteren Ausführung ist das elektrische Bauteil als Hochleistungstransformator mit einer Oberspannungsseite und einer Unterspannungsseite vorgesehen, wobei die Unterspannungsseite eine Unterspannungswicklung umfasst, die aus Aluminium- oder Kupferband besteht, das als Windungsisolation Prepreg der thermischen Klasse F aufweist. In dieser Ausführung kann die Oberspannungsseite und die Unterspannungsseite einer Phase auf dem gleichen Schenkelwinkel zentrischer Weise angeordnet sein, wobei die zur Unterspannungsseite gehörende Wicklung innen vorgesehen ist, und durch eine Unterspannungsseite-Isolationsschicht, einem Kühlkanal und einer inneren Oberspannungsseite-Isolationsschicht von der außen liegenden Wicklung durch einen konstanten Abstand getrennt ist, die der Oberspannungsseite zugeordnet ist. Statt einer Oberspannungs- und/oder Unterspannungswicklung können mehrere Oberspannungs- und/oder Unterspannungswicklung sein. Vorzugsweise hat der Leiter eine Querschnittsfläche von mehr als 0,5 mm ² , beispielsweise > 1 mm ² , > 2 mm ² oder 5 - 10 mm ² . Insbesondere beträgt die Querschnittsfläche vorzugsweise zwischen 10 mm ² und 40 mm ² , 25 mm ² - 80 mm ² oder mehr als 80 mm ² . Die Querschnittfläche bemisst sich nach dem Stromfluss und der zu erwartenden Wärmeentwicklung, abhängig von der Nennleistung und dem Einsatzgebiet. Bei Leistungstransformatoren werden vorzugsweise Leiter mit kreisförmigem Querschnitt und einem Leiterdurchmesser von mehr als 0,75 mm, mehr als 1 mm, mehr als 1 ,5 mm, mehr als 2 mm oder mehr als 3 mm verwendet auf der O- berspannungsseite verwendet.

Vorzugsweise umfasst das elektrische Bauteil selbstlöschende oder brandhindernde Materialien, beispielsweise als Leiterisolation und/oder als Isolationszwischenlage.

Der Leiter innerhalb einer Wicklung kann aus miteinander mechanisch und/oder elektrisch verbundenen Leiterabschnitten oder aus einem einteilig ausgebildeten Leiter bestehen. Der Leiter weist vorzugsweise einen konstanten Querschnitt auf, wobei der Wicklungsquerschnitt vorzugsweise rund ist und im Falle einer Bandwicklung einen fla-

chen rechteckigen Querschnitt aufweist. Alternativ kann der Leiter auch quadratisch oder trapezoid Hochleistungstransformator sein. Die Wicklung des elektrischen Bauteils weist vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt entlang der Längachse auf. Vorzugsweise ist der Querschnitt quer zur Längsachse der Wicklung kreisförmig. Im Falle eines rechteckigen Jochs kann die Innenseite der Wicklung die Form einer rechteckigen Säule aufweisen. Die tangentiale Außenfläche der Wicklung ist vorzugsweise zylindrisch. Das elektrische Bauteil kann neben den oben beschriebenen Beispielen Transformator, Drossel, elektrische Maschine oder Elektromagnet auch jedes anderen induk- tionsbasierte Bauteil sein, beispielsweise eine Induktionsofenspule oder ähnliches.

Das erfindungsgemäße elektrische Bauteil oder die Wicklung des Bauteils ist vorzugsweise als diskretes Element ausgeführt, welches körperlich getrennt von weiteren Schaltungselementen, Bauteilen oder Wicklungen ist.

In dieser Anmeldung bezeichnet die Umlaufrichtung den momentanen örtlichen Vektror, das heißt Richtung, entlang dem sich der Leiter an der betrachteten Stelle erstreckt. Im Falle einer zylindrischen Wicklung erstreckt sich der Kontaktabschnitt entlang eines Kreisabschnitts, der sich über einen Winkel von 0,5 - 5 Grad erstreckt. Die Umlaufrichtung ist somit die Tangentiale des Kreises an dem Ort, an dem der Leiter betrachtet wird. Erstreckt sich der Kontaktabschnitt über einen nicht zu vernachlässigenden Winkelbereich, so wird die Wicklung des Leiters in der Richtung an einem Ort, beispielsweise an einem Ende des Kontaktabschnitts, fortgesetzt, in der sich die Tangentiale an diesem Ort erstreckt, und nicht entlang der Tangentialen entlang des entgegen gesetzten Endes des Kontaktabschnitts.

In dieser Anmeldung bedeutet der Verlauf des Leiters die Ortskurve der Mittellinie des Leiters. Im Falle eines kreisförmigen Querschnitts ist dies der Mittelpunkt des Querschnitts, bei rechteckigen oder bandförmigen Leitern kann dies die Mitte oder eine Kante des Leiters sein.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Die Figuren zeigen Ausführungsformen, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind.

Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Wicklung eines erfindungemäßen Bauteils in einer Schnittebene, in der eine Längsachse des Bauteils verläuft.

Die Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil mit einer inneren und einer äußeren Wicklung in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des elektrischen Bauteils, wobei die innere und die äußere Wicklung jeweils eine Anzapfung aufweisen.

Die Figur 3 zeigt den Verlauf eines Leiters entlang des Kontaktabschnitts im Detail.

Die Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Wicklung mit zwei verschiedenen Anzapfungen.

Die Figur 1 ist eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäß elektrisches Bauteil in einer Schnittebene, in der die Längsachse 2 des elektrischen Bauteils liegt. Der äußere Umriss 4 der Wicklung ist im Wesentlichen rechteckig. Die Wicklung ist aus einzelnen Leitern 6 ausgebildet, von denen nur diejenigen dargestellt sind, die an die umlaufende Außenfläche der Wicklung stoßen beziehungsweise dieser am nächsten sind. Die Figur 1 zeigt somit einen Längsschnitt durch eine säulenförmige Wicklung, beispielsweise eine zylinderförmige oder quaderförmige Wicklung. Ein möglicher Hohlraum im Inneren der Wicklung, durch den die Längsachse der Wicklung verläuft, ist nicht dargestellt.

Zum Ausbilden der Anzapfung 8 wird ein Stützelement 10 verwendet, das aus einem Isolator, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, ausgebildet ist. Dieses Stützelement ist nicht vollständig umlaufend sondern ist lediglich in einem Kontaktabschnitt vorgesehen und überstreicht somit nur einen geringen Winkel oder geringen Teil eines Umlaufs. Das Stützelement 10 umfasst eine Bodenfläche 12 zum Abstützen gegenüber radial nach innen, das heißt in Richtung Längsachse, versetzten Leiterwindungen 14. Das Stützelement ist radial nach außen in der Form eines liegenden U geöffnet. Das Stützelement 10 umfasst somit einen Stützboden 16, der die Anzapfung 8 trägt. Die Anzapfung 8 geht an den beiden Enden des Kontaktabschnitts in eine Windung über, die im Vergleich zu den Leiterwindungen 6 tieferen Windungsschichten zugeordnet ist, das heißt den darunter liegenden abstützenden Leiterbindungen 14. In einer Ausführung ist

die zu der Anzapfung 8 gehörende Windung die Windung, die sich einer der beiden äußeren Leiterwindungen der abstützenden Leiterbindungen 14 direkt anschließt oder dieser direkt vorausgeht.

Bis zu der Fertigstellung der Leiterwindungen 14 ist noch kein Stützelement 10 eingefügt und die äußere tangentiale Umlauffläche der so teilweise fertig gestellten Wicklungen ist eben und weist keine Vertiefung auf. Beispielsweise direkt nach dem Fertigstellen der obersten der Leitwicklungen 14 wird das Stützelement 10 eingesetzt, und die direkt darauf folgenden Windung durchläuft das Stützelement 10 derart, dass es durch den Abstand des Stützbodens 16 zu der Bodenfläche 12 um einen Abstand radial nach außen versetzt ist. Dadurch ergibt sich automatisch die erfindungsgemäße Neigung des Leiters innerhalb des Kontaktabschnitts zur bestehenden örtlichen Umlaufrichtung, wodurch die erfindungsgemäße Anzapfung vorgesehen wird. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung bildet der Leiter innerhalb des Kontaktschnitts eine Schleife, die im wesentlichen radial nach außen gekrümmt ist, wobei die Schleife auch Abschnitte umfassen kann, die eine zusätzliche Neigung in einer Richtung parallel zur Längsachse 2 aufweisen.

Auf die Leiterwindung 8, mittels der in dem Kontaktabschnitt die Anzapfung gebildet wurde, folgt eine weitere Windung, die an die Stelle dieser Leiterwindung tritt beziehungsweise die auf diese folgt. Dadurch ergibt sich außerhalb des Stützelements eine homogene Leiterdichte. Weitere Leiterwindungen werden aufgewickelt, bis die gewünschte Leiteranzahl beziehungsweise radiale Dicke der Wicklung erreicht ist. Durch den Abstand zwischen der Stützfläche 16 und der Bodenfläche 12 weist die Anzapfung 8 einen größeren radialen Abstand zur Längsachse 2 des Bauteils auf, als die Leiterwindungen der äußeren Windungsschicht 6.

Zur Kontaktierung der Anzapfung wird die Anzapfung mit einem Anschlussleiter verbunden, beispielsweise mittels einer Lötverbindung, einer Schraubverbindung, einer Klemmverbindung oder ähnlichem, wobei vorzugsweise Teile des Stützelements entfernt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedoch erfindungsgemäß dieser Anschlussleiter beziehungsweise Anzapfleiter nach dem vollständigen Abschluss

des Wicklungsvorgangs zumindest einer der Wicklungen des Bauelements angeschlossen.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein elektrisches Bauteil senkrecht zu dessen Längsachse. Das elektrische Bauteil weist zwei Wicklungen 100, 110 auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen der inneren Wicklung 100 und der äußeren Wicklung 110 ist ein Raum 120 vorgesehen, wobei die innere Wicklung 100 ferner einen Innenraum 130 umschließt. In dem Innenraum 130 wird vorzugsweise ein Transformatorbein beziehungsweise ein Joch vorgesehen. Der Zwischenraum 120 zwischen der inneren Wicklung 100 und der äußeren Wicklung 110 dient vorzugsweise der Kühlung und kann zur Verbesserung der Konvektion Luftführungsrillen (nicht dargestellt) aufweisen, die sich in Ebenen erstrecken, die parallel zur Längsachse des Bauteils radial verlaufen. Die innere Wicklung 100 weist eine innere Anzapfung 140 auf, die sich in den Zwischenraum 120 erstreckt. In gleicher weise umfasst die äußere Wicklung 110 eine äußere Anzapfung 150. Die innere Anzapfung 140 ist einer Windung zugeordnet, die zwischen dem Zwischenraum 120 und dem Innenraum 130 in der inneren Wicklung 100 vorgesehen ist. In gleicher weise ist die Anzapfung 150 einer Windung zugeordnet, die sich in der äußeren Wicklung 110 zwischen dem Zwischenraum 120 und dem Außenraum befindet. Die Zuordnung der Anzapfungen zu der jeweiligen Windung ist dadurch vorgesehen, dass der Leiterabschnitt, der die Anzapfung bildet, direkt in die zugeordnete Windung übergeht.

Die äußere Wicklung 110 weist einen Kontaktabschnitt 160 auf, in dem die Anzapfung 150 angeordnet ist. In gleicher Weise weist die innere Wicklung 100 einen Kontaktabschnitt 170 auf, in dem die innere Anzapfung 140 vorgesehen ist. Der Kontaktabschnitt entspricht nur einem geringen Teil eines Gesamtumlaufs der Wicklung und somit nur einem Streckenabschnitt der im Vergleich zum Gesamtumfang der jeweiligen Wicklung gering ist. Von der Längsachse der konzentrischen Wicklungen aus betrachtet, nehmen die Kontaktabschnitte nur einen geringen Winkelabschnitt ein, beispielsweise kleiner als 10 Grad, insbesondere kleiner als 5 Grad, beispielsweise lediglich 3 - 1 Grad oder, insbesondere bei großen elektrischen Bauteilen mit hohen Leistungen nur 0,1 - 1 Grad, beispielsweise 0,2 - 0,5 Grad.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform, die der Fig. 2 ähnelt, weißt die äußere Wicklung eine radial nach innen weisende Leiterschleife als Anzapfung auf, die sich in den Zwischenraum 120 erstreckt. Die Anzapfung der äußeren Wicklung ist vorzugsweise zu der Anzapfung der inneren Wicklung um einen Winkel versetzt, beispielsweise um einen Winkel von mehr als 10° oder von mehr als 20°, oder um einen Winkelbetrag von ca. 45°, 60°, 90° oder 180°.

Die Figur 3 zeigt eine Anzapfung in Querschnitt durch eine Wicklung eines erfindungsgemäßen elektrischen Bauteils senkrecht zur Längsachse der Wicklung im Detail.

In der Figur 3 ist ein Abschnitt eines Umrisses einer zylindrischen Wicklung 200 dargestellt. Die Anzapfung 210 entspricht einer Leiterwindung innerhalb eines Kontaktabschnitts 220. Die Anzapfung 210 umfasst Abschnitte 230a, b, in denen der Leiter in einer Richtung verläuft, die nur leicht geneigt gegenüber der Umlaufrichtung des Leiters außerhalb des Kontaktabschnitts ist. Ferner fasst die Anzapfung 210 Knickbereiche 240a, b, die sich direkt an die leicht geneigten Abschnitte 230a, b anschließen und in denen der Leiter eine Krümmung von 70° - 110°, beispielsweise 85° -95° durchläuft. Der Krümmungsradius wird vorzugsweise so gewählt, dass der Querschnitt des Leiters nicht wesentlich verkleinert wird und beträgt beispielsweise das 2 - 4-fache oder das 3- fache des Leiterdurchmessers. An die Knickbereiche 240a, b schließt sich ein Radialabschnitt 250a, b an, in dem der Leiter nahezu senkrecht von der Wicklungsoberfläche absteht. über zwei äußere Knickbereiche 260a, b schließt sich ein letzter Verbindungsteil 270 an, der entweder gradlinig oder gemäß der sonstigen Wicklungsoberflächen gekrümmt verläuft, und der vorzugsweise zur Anzapfung verwendet wird.

Die mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnete Linie gibt den Leitungsverlauf wieder. Innerhalb des Kontaktabschnitts 220 gibt die Linie 200 die Umlaufrichtung wieder, die ein Leiter an dieser Stelle haben würde, wenn an dieser nicht als Anzapfung sondern als Windung ausgeführt wäre. Die der Kern der Erfindung lässt sich auch dadurch definieren, dass in dem Kontaktabschnitt zur Ausbildung der Anzapfung der Leiter diese gedachte Linie 200 verlässt, die eine dort vorliegende Windung haben würde und zu dieser Linie 200 zumindest abschnittsweise geneigt verläuft. Die über der Konturlinie 200 liegenden Windungsschichten sind zur besseren Darstellung nicht gezeigt. Vorzugswei-

se gehen die darüber liegenden Windungsschichten in radialer Richtung nicht über den Verbindungsteil hinaus, um eine einfache Kontaktierung der Anzapfung 210 zu ermöglichen.

Alternativ kann an der Stelle 270 der Leiter aufgetrennt werden und mittels einer Schraub-, einer Löt- oder Klemmverbindung mit Anschlussdrähten verbunden werden, die innerhalb oder außerhalb der Wicklung oder des elektrischen Bauteils miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist die Leiterbindung, die die Anzapfung bildet, kein teilweise geschlossene Kurve, sondern lediglich ein Windungsstück, das sich senkrecht zur Umlaufrichtung benachbarter Wicklungsabschnitte erstreckt. In diesem Fall erstrecken sich die Leiterabschnitte innerhalb des Kontaktabschnitts im Wesentlichen senkrecht zur Wicklungsoberfläche oder parallel zur Wicklungsoberfläche 200, jedoch in jedem Fall im wesentlichen senkrecht zur Umlaufrichtung benachbarter Leiterabschnitte beziehungsweise um einen Winkel von 80° - 100° oder ca. 90° geneigt zur Konturlinie 200, die den Windungsverlauf darstellt, der sich ergeben würde, wenn der Abschnitt 220 kein Kontaktabschnitt wäre.

Die Figur 4 zeigt eine zylindrische Wicklung im Umriss mit zwei verschiedenartigen Anzapfungen. Auf der Umlauffläche 310 der Wicklung 300 ist eine erste Anzapfung 320 und eine zweite Anzapfung 330 angeordnet. Wie auch in Figur 3 sind die Anzapfungen in Figur 4 nur soweit dargestellt als dass sie nicht vollständig dem üblichen Wicklungsverlauf entsprechen, wobei der übliche Wicklungsverlauf (kreisförmig tangential um die Mittelachse der Wicklung herum) aus Klarheitsgründen nicht dargestellt ist.

Die erste Anzapfung 320 und die zweite Anzapfung 330 werden jeweils aus dem Leiter gebildet, aus dem die Windungen der Wicklung 300 geformt sind. Innerhalb eines ersten Kontaktabschnitts 340 beziehungsweise innerhalb eines zweiten Kontaktabschnitts 350 bildet dieser Leiter jedoch die erste beziehungsweise zweite Anzapfung 320, 330. Innerhalb des jeweiligen Kontaktabschnitts 340 beziehungsweise 350 ist der Leiter zu der dort zu erwarteten Umlaufrichtung geneigt. Mit anderen Worten verlässt der Leiter zwischen den jeweiligen Enden 344a, b, 345a, b der jeweiligen Kontaktabschnitte 350, 340 die dort für Windungen zu erwartender Umlaufrichtung, um eine Anzapfung in der Form einer Schleife auszubilden, die zu der Umlaufrichtung geneigt ist. An den jeweili-

gen Enden 345a, b, 355a, b des jeweiligen Kontraktabschnitts 350, 340 beginnt die Neigung des Leiters zu der am Kontaktabschnitt bestehenden Umlaufrichtung, wodurch der Leiter vom üblichen tangentialen Verlauf abweicht.

Innerhalb des ersten Kontaktabschnitts verläuft der Leiter zur Ausbildung der ersten Anzapfung 320 zum einen senkrecht zur Umlaufrichtung sowie zumindest Abschnittsweise senkrecht zur Längsachse der Wicklung. Die Anzapfung 320 steht somit radial von der Wicklung ab. Die in Figur 4 dargestellten Anzapfungen 320 und 330 sind in der physischen Realisation der in Fig. 4 dargestellten Ausführung durch die oberen Schichten der Wicklung verdeckt, jedoch zum Zwecke der Klarheit vollständig dargestellt.

Die zweite Anzapfung 330 verläuft ebenfalls senkrecht zur im Kontaktabschnitt 350 zu erwartenden Umlaufrichtung des Leiters, jedoch parallel zur Längsachse der Wicklung, im Gegensatz zu der ersten Anzapfung 320. An dem einen Ende 355a des Kontaktabschnitts 350 ist der Leiter, der die Anzapfung 330 bildet, in einer Höhe bezogen auf die Längsachse der Wicklung angeordnet, die sich von der Höhe des Leiters an dem anderen Ende 355b des Kontaktabschnitts 350 unterscheidet. Mit anderen Worten ist der Leiter am Eintritt des Kontaktabschnitts 355a zu dem Austritt des Leiters 355b aus dem Kontaktabschnitt 350 entlang der Richtung der Längsachse der Wicklung versetzt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist der Eintrittspunkt um einen anderen Abstand oder um einen Abstand von 0 zu dem Austrittspunkt versetzt. Die Anzapfung 330 weist ferner einen Abschnitt auf, der aus einer Bodenfläche 360 der Wicklung heraustritt, um so einer einfachen Kontaktierung zu ermöglichen.

In einer nicht dargestellten Ausführung ragt dieser Abschnitt aus der Kopffläche 370 der Wicklung heraus. Der Kern oder der Innenraum der Wicklung 300 kann einen rechteckigen, quadratischen, ellipsoiden oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Anzapfung kann generell Leiterabschnitte umfassen, die anti-parallel zueinander angeordnet sind und einen konstanten Abstand aufweisen. Dieser Abstand kann so gering wie möglich gewählt werden, so dass diese beiden Leiterabschnitte direkt aneinander stoßen und nur durch die jeweiligen Isolationsschichten voneinander getrennt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Leiterabschnitte durch einen Ab-

standhalter voneinander entfernt, der mit beiden Leiterabschnitten in mechanischem Kontakt steht und somit einen stützenden Effekt hat. Der Abstandhalter kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Ferner kann der Abstandhalter mit dem Stützelement, beispielsweise Stützelement 10, in mechanischem Kontakt sein, beispielsweise über eine form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung. In einer Ausführung ist das Stützelement einteilig mit dem Abstandhalter ausgeführt. Der Abstandhalter und/oder das Stützelement kann eine teilweise formschlüssige Vertiefung oder eine Klemmverbindung aufweisen, die eingerichtet ist, einen Reibungsschluss mit dem Verbindungsteil 270 der Anzapfung beziehungsweise der Leitung herzustellen. Vorzugsweise ist der Reibungsschluss in seiner Verbindungsstärke veränderlich, um während des Wickeins eine starke Fixierung für die Anzapfung vorzusehen und nach dem Wickeln bei der Kontaktie- rung der Anzapfung nur eine geringe Stütze vorzusehen, um den Kontaktierungsvor- gang zu vereinfachen. Dies kann beispielsweise mit einer veränderlichen Federkraft eines Abschnitts des Stützelements oder Abstandhalters erreicht werden, wobei der Abschnitt dem Verbindungsteil 270 der Anzapfung gegenüberliegt.

Die in Figur 1 - 4 dargestellten Ausführungen sind nicht maßstabgetreu. Insbesondere die Abmessungen der Anzapfungen, beispielsweise deren Breite, die Breite des Kontaktabschnitts, und der Maximalabstand der Anzapfung von dem im Kontaktabschnitt zu erwartenden Leiterverlauf können frei gewählt werden. Die Umlaufrichtung des Leiters bezeichnet den Vektor, der den Verlauf des Leiters, beispielsweise somit nicht nur lediglich den Umlaufsinn, das heißt die Drehrichtung des Verlaufs des Leiters, sondern auch den vektoriellen Verlauf im dreidimensionalen Raum.