DE2836283C2 - Elektrische Gerätewicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzte elektrische Gerätewicklung für einen Transformator, eine Drossel oder einen supraleitenden Magneten, die insbesondere zur Verbesserung der Kühlwirkung scheiben- oder schraubenförmig gewickelt ist.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer herkömmlichen scheibenförmigen Wicklung für ein elektrisches Gerät, wie z. B. einen Transformator, und Fig. 2 ist ein Schnitt II-1I in Fig. 1. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, hat die Transformatorwicklung gewöhnlich mehrere Wicklungseinheiten 5 aus jeweils einem Drahtelement 4 senkrecht übereinander zwischen einer Innenisolierhülse 2 und einer Außenisolierhülse 3, die konzentrisch um die Außenmantelfläche eiies Kernes 1 angeordnet sind. Zwischen benachbarten Wicklungseinheiten 5 liegen w) sich horizontal erstreckende Kühlwege (im folgenden als Horizontal-Kühlwege bezeichnet) 6 durch (nicht dargestellte) Horizontal-Leitungsstücke, und zwischen jeder Wicklungseinheit 5 und der Innenisolierhülse 2 sowie zwischen jeder Wicklungseinheit 5 und der Außenisolierhülse 3 bestehen jeweils sich innen und außen vertikal erstreckende Kühlwege (im folgenden als Vertikal-Kühlwege bezeichnet) 7 bzw. 8 durch (nicht dargestellte) lineare Leitungsstücke, die vertikal verlaufen.

Bei den so aufgebauten Kühlwegen fließt das Kühlfluid aber in der durch Pfeile 9 und 10 angedeuteten Weise, wenn die Wicklungseir.heiten 5 erwärmt sind, so daß der Kühlfluidstrom in den Horizontal-Kühlwegen 6 sehr langsam ist Damit steigt die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungseinheit 5 an und kann die Wicklung überhitzen. Um eine derartige Überhitzung zu verhindern, müssen die Horizontal-Kühlwege 6 größer ausgelegt werden. Damit nehmen die Abmessungen der gesamten Wicklung zu.

Die Fig.3—5 zeigen schematisch Schnitte von anderen Beispielen herkömmlicher elektrischer Gerätewicklungen, wie z. B. scheibenförmiger Wicklungen für einen Transformator.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Wicklungsaufbau (vgl. JP-Gebrauchsmusceranmeldung 48-50 916 bzw. die veröffentlichte JP-Gebrauchsmusteranmeldung 49-1 50 303) ist jede der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wicklungseinheiten 5 in mehrere (beim Beispiel der F i g. 3 in zwei) Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b geteilt, um dazwischen einen Mitten-Vertikal-Kühlweg 11 zu bilden, wobei die übrigen Teile mit dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei diesem Wicklungsaufbau wird die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungseinheit 5 durch das durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg 11 strömende Kühlfluid verringert, wobei jedoch der Strom des Kühlfluids in den Horizontal-Kühlwegen 6a und 6b zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5a bzw. zwischen den Wicklungsuntereinheiten 56 wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 noch sehr langsam ist. Entsprechend steigt die Temperatur in der Mitte jeder Wicklungsuntereinheit 5a und 5b noch an. Um einen derartigen Temperaturanstieg zu verhindern, können die Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b weiter geteilt werden, wobei jedoch in diesem Fall die Größe der Wicklungseinheit 5 um eine Länge entsprechend der Gesamtbreite der zusätzlichen Mitten-Vertikal-Kühlwege zunimmt. Zusätzlich wird der Aufbau der Wicklung wesentlich komplizierter. Ein anderer Wicklungsaufbau ist in Fig.4 dargestellt (vgl. JP-Gebrauchsmusteranmeldung 48-1 26 273 bzw. veröffentliche JP-Gebrauchsmusteranmeldung 50-69 616), bei dem jede Wicklungseinheit 5 in mehrere (beim Beispiel der F i g. 4 in zwei) Wicklungsuntereinheiten 5c und 5c/ geteilt ist, um einen Zickzack-Vertikal-Kühl weg 12 zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5c und den Wicklungsuntereinheiten 5c/zu bilden, wobei die übrigen Teile mit dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei dem so aufgebauten Kühlweg stößt das durch den Vertikal-Kühlweg 12 geschickte Kühlfluid in einer Stufe gegen die weitere Wicklungsuntereinheit 5c/ der Wicklungsuntereinheiten 5c und 5c/ der nächsten Stufe über der einen Stufe und wird in Horizontal-Kühlwege 6c und 6c/ geteilt. Wenn jedoch der Durchsatz oder die Durchflußleistung des Kühlfluids insgesamt langsam ist, wird der Durchsatz des durch den Vertikal-Kühlweg 12 geschickten Kühlfluids so langsam wie der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege geschickten Kühlfluids, so daß der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege 6c strömenden Kühlfluids geringer ist als der Durchsatz des durch die Horizontal-Kühlwege 6c/ geschickten Kühlfluids. Damit staut sich der Strom bei den Horizontal-Kühlwegen 6c unter den schmäleren Wicklungsuntereinheiten 5c, wie dies durch Pfeile in F i g. 4 gezeigt ist, oder der Strom ist in diesen Bereichen

langsam und instabil. Ais Ergebnis steigt die Temperatur dieser Teile der Wicklung, die diesen Bereichen ₆egenüberliegen, an. Um einen derartigen Temperaturanstieg zu verhindern, müssen die Abmessungen der Kühlwege größer sein, was aber zu einer Steigerung der Abmessungen der gesamten Wicklung führt

Ein anderer Wicklungsaufbau ist in Fig.5 gezeigt (vgL JP-Gebrauchsmusteranmeldung 28-33 702 bzw. die veröffentliche JP-Gebrauchsmusteranmeldung 30-5 533), bei dem die gesamte Seitenfläche der geschichteten Wicklungseinheiten 5 durch einen Isolierstoff 13 umhüllt ist, und jede Wicklungseinheit 5 ist in Untereinheiten mit einem weiteren Abstand 14 und einem schmäleren Abstand 15 dazwischen geteilt, die von Wicklungseinheit zu Wicklungseinheit abwechseln, '⁵ wobei die übrigen Teile mit dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Wicklungsaufbau identisch sind. Bei dem so aufgebauten Kühlweg wird infolge der Abstände 14 und 15 der Kühlfluidstrom in Ströme geteilt, die einerseits lediglich entlang den Seiten der Wicklungseinheiten 5 und andererseits entlang den Ober- und den Unterseiten der Wicklungseinheiten 5 fließen. Das Kühlfluid strömt in den Horizontal-Kühlwegen 6e bei den Mittenteilen der Wicklungseinheiten 5 und strömt nicht in den Horizontal-Kühlwegen 6£ die durch die Endteile der Wicklungseinheiten 5 und den Isolierstoff 13 umgeben sind, und es ruft Turbulenzen oder Wirbel hervor. Als Ergebnis werden die diesen Bereichen gegenüberliegenden Wicklungsteile übermäßig erwärmt. Um eine derartige Erwärmung zu verhindern, müssen die Abmessungen des Kühlweges vergrößert werden, w&j jedoch zu einer Steigerung der Abmessungen der gesamten Wicklung führt.

Die AT-PS 3 12 092 beschreibt einen Transformator, bei dem Scheidewände in den vertikalen Kühlkanälen und im zentralen vertikalen Kühlkanal angeordnet sind, so daß das Kühlmedium im Mäanderweg strömt. Die Menge des in die zwischen einem Paar der Scheidewände angeordneten Wicklungen strömenden Kühlmediums wächst am zentralen vertikalen Kühlkanal unter Verursachung ungleichmäßiger Kühlmediumverteilung. Bei verringertem Abstand zwischen den Scheidewänden ist zwar die Strömungsverteilung besser, jedoch der Strömungswiderstand ungünstig höher. Außerdem ergibt sich in der Radialrichtung der Scheibenwicklungseinheiten keine gleichmäßige Temperaturverteilung.

Schließlich ist aus der AT-PS 2 98 610 eine elektrische Gerätewicklung, insbesondere eines Transformators, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 Vorausgesetzten Art bekannt. Dabei wird die Breite des zentralen Kühlkanals in der Weise variiert, daß die Windungszahl jeder Wicklungseinheit abwechselnd um die gleiche Windungszahl in der Vertikalrichtung steigt und sinkt. Damit ändert sich die Windungszahl der Wicklungseinheiten von Wicklung zu Wicklung und die durch jede Wicklungseinheit erzeugte elektromotorische Kraft, so daß die Wicklungen besonders bei einem Austreten von Kurzschluß geschädigt werden. Außerdem ist die Strömung des Kühlmediums in den horizontalen Bahnen relativ langsam, so daß die Kühlwirkung noch verbesserungsbedürftig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Gerätewicklung der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, die eine verbesserte Strömung des Kühlfluids durch die Wege zwischen den Wicklungseinheiten ohne hohen Druckverlust gewährleistet, um den Temperaturanstieg der Wicklung möglichst gering zu halten und die Wicklung gleichmäßiger und wirksamer zu kühlen, und die Kurzschlußfestigkeit der Wicklung steigert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet

Der Verlauf des Zweigleitungsstromweges in jeder Wicklungseinheit abwechselnd rechts und links des Durchgangsstromweges in der Vertikalrichtung bei gleicher Windungszahl jeder Wicklungseinheit gewährleistet eine verbesserte Kühlfluidströmung ohne hohen Druckverlust, eine gleichmäßige und wirksame Kühlung und eine gute Kurzschiußfestigkeit der Wicklung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungbeispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt einer scheibenförmigen Wicklung für einen Transformator als Beispiel einer herkömmlichen elektrischen Gerätewicklung,

Fig. 2 einen Schnitt H-II in F ig. 1,

Fig.3 bis 5 Teillängsschnitte scheibenförmiger Wicklungen für einen Transformator als Beispiele herkömmlicher elektrischer Gerätewicklungen, bei denen jede scheibenförmige Wicklung in mehrere Einheiten geteilt ist,

F i g. 6 in Perspektive teilweise aufgeschnitten den Kühlwegaufbau zwischen Wicklungen in einem Transformator mit einer elektrischen Gerätewicklung entsprechen einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 7 einen Längsschnitt zur Erläuterung der Strömung des Kühlfluids in einer Schnittebene VIl, VII-VIl', Vir in Fig.6,

F i g. 8 einen Teilhorizontalschnitt von F i g. 6, und

F i g. 9 in Perspektive einen Teil eines Zwischenstükkes für den in F i g. 6 gezeigten Wicklungsaufbau.

Anhand der F i g. 6 und 7 wird ein Transformator mit einer elektrischen Gerätewicklung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In den Fig.6 bis 9 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 bis 5. In den Fig. 6 und 7 hat eine Transformatorwicklung mehrere Wicklungseinheiten 5 aus jeweils einem Drahtelement 4 hintereinander in senkrechter Richtung zwischen einer Innenisolierhülse 2 und einer Außenisolierhülse 3, die konzentrisch um die Außenmantelfläche eines Kernes angeordnet sind, wobei alle Wicklungseinheiten 5 in zwei Wicklungsuntereinheiten 5a und 5bgeteilt sind. Zwischen benachbarten Wicklungsuntereinheiten 5a und zwischen benachbarten Wicklungsuntereinheiten 56 liegen jeweils Horizontal-Kühlwege 6a und 6b durch mehrere Horizontal-Leitungsstücke 16, wobei die Kühlwege 6a und Sb in Umfangsrichtung mit gleicher Teilung bzw. gleichem Abstand vorgesehen sind. Zwischen der Innenisolierhülse 2 und den jeweiligen Wicklungseinheiten 5 und zwischen der Außenisolierhülse 3 und den jeweiligen Wicklungseinheiten 5 liegen Innen-Vertikal-Kühlwege 7 bzw. Außen-Vertikal-Kühlwege 8 durch mehrere Innen-Vertikal-Leitungsstücke 17 bzw. mehrere Außen-Vertikal-Leitungsstücke 18, wobei die Kühlwege 7 und 8 am Umfang mit gleicher Teilung vorgesehen sind, um jeweils den Horizontal-Kühlwegen 6a bzw. 6b zu entsprechen. Weiterhin wird zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b jeder Wicklungseinheit 5 ein Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 gebildet, der einen Durchgangsstromweg 19 und einen Zweigleitungsstromweg 20 aufweist. Der Durchgangsstromweg

!9 des Mitten-Vertikal-Kühlweges 21 erstreckt sich vertikal durch den Abstand zwischen den Wicklungsuntereinheiten 5a und 56, und der Zweigleitungsstromweg 20 des Mitten-Vertikal-Kühlweges 21 erstreckt sich durch jede Wicklungseinheit 5 abwechselnd nach links und rechts des Durchgangsstromweges 19 von einer Wicklungseinheit zur nächsten Wicklungseinheit, so daß die Strömung im Mitten-Vertikal-Kühlweg21 mäanderförmig ist und ein Teil der mäanderförmigen Strömung abwechselnd nach links und nach rechts von den _U) Horizontal-Kühlwegen 6a und 66 über den Wicklungsuntereinheiten 5a und 5b strömt. Das heißt, wenn der Zweigleitungsstromweg 20 für einen Wicklungsweg 5 auf der' rechten Seite des Durchgangsstromweges 19 verläuft, sind die Zweigleitungsstromwege 20 für die Wicklungseinheiten 5 oberhalb und unterhalb dieser einen Wicklungseinheit auf der linken Seite des Durchgangsstromweges 19 angeordnet. Der Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 einschließlich des Durchgangsstromweges 19 und des Zweigleitungsstromweges 20 wird durch Wickeln eines Bandes 23 mit mehreren Zwischenstücken 22 darauf in geeignetem Intervall (vgl. Fig. 9) gebildet, wobei die Teilungsstelle von einer Wicklungseinheit zur benachbarten Wicklungseinheit versetzt ist.

Anhand der F i g. 7 wird die Strömung des Kühlfluids bei dem oben erläuterten Wicklungsaufbau näher erläutert. Da die Zweigleitungsstromwege 20 abwechselnd auf der linken und der rechten Seite der Durchgangsstromwege von einer Wicklungseinheit 5 zur benachbarten Wicklungseinheit 5 angeordnet sind, tritt eine mäanderförmige Strömung auf, wenn die (nicht gezeigte) Kühlströmung im Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 von unten nach oben fließt. Obwohl die Breite des Mitten-Vertikal-Kühlweges 21 von Wicklungseinheit zu Wicklungseinheit verschieden sein kann, kann eine starke mäanderförmige Strömung erzeugt werden, wenn die Breite gleichmäßig ist. Da die mäanderförmige Strömung 24, die durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt, gegen die vorspringenden Bodenflächen dieser Wicklungsuntereinheiten 5a 1 und 5b 1 der Wicklungsuntereinheiten 5a und 56 stößt, die in die Räume über den Zweigleitungsstromwegen 20 vorspringen, verläuft ein Teil der mäanderförmigen Strömung 24 durch die Zweigleitungsstromwege 20 in Horizontal-Kühlwege 6a 1 und Bb 1 über den Wicklungsuntereinheiten 5a 2 und 562. Andererseits nimmt das Kühlfluid in den Horizontal-Kühlwegen 6a 2 und 662 unter den Wicklungsuntereinheiten 5a 2 und 562 eine Widerstandskraft durch die Viskosität der mäanderförmigen Strömung 24 auf, so daß es zum Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt. Diese herbeigeführten oder induzierten Strömungen des Kühlfluids, die nach innen oder nach außen von den Horizontal-Kühlwegen 6a und 66 gerichtet sind, kühlen die Wicklungseinheiten 5, die sie berühren, und mischen sich dann mit einem Hauptstrom des Kühlfluids, das vertikal nach oben durch den Innen-Vertikal-Kühlweg 7, den Außen-Vertikal-Kühlweg 8 und den Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt, um die Wärme abzuführen. Auf diese Weise wird die Kühlwirkung wiederholt.

Entsprechend können die mehreren Wicklungseinheiten 5, die zwischen der innenisolierhülse 2 und der Außenisolierhülse 3 angeordnet sind, gleichmäßig und wirksam gekühlt werden durch die gemeinsame Funktion der Vertikal-Strömung des Kühlfluids, das durch den Innen-Vertikal-Kühlweg 7 und den Außen-Vertikal-Kühlweg 8 fließt, der mäanderförmigen Strömung 24, die durch den Mitten-Vertikal-Kühlweg 21 fließt, und des Kühlfluids, das durch die Horizontal-Kühlwege 6a und 66 fließt. Da weiterhin die Strömung des Kühlfluids, das durch die Horizontal-Kühlwege 6a und 66 strömt, in entgegengesetzten Richtungen entlang den Ober- und den Unterseiten jeder Wicklungsuntereinheit 5a und 56 fließt, können die Wicklungseinheiten 5 gleichmäßiger gekühlt werden, wie wenn sie in gleicher Richtung entlang der Ober- und der Unterseite strömt.

Da, wie oben erläutert wurde, bei der Erfindung eine gleichmäßige und staufreie Strömung in den Stromweg zwischen benachbarten Wicklungseinheiten eingeführt werden kann, kann die Wärme wirksam von der Oberfläche der Wicklung abgeleitet werden, um deren Überhitzung zu verhindern. Entsprechend sind Abmessungen und Gewicht der elektrischen Gerätewicklung und der Kühlvorrichtung verringert. Das heißt, die Leistung des elektrischen Gerätes ist erhöht.

Die gleichen vorteilhaften Kühlwirkungen können erzielt werden, wenn anstelle der dargestellten und anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschriebenen scheibenförmigen Wicklung eine schrauben- oder schneckenförmige Wicklung verwendet wird, die einen ähnlichen Kühlaufbau hat

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrische Gerätewicklung mit mehreren, in der Radialrichtung in mehrere Wicklungsuntereinheiten geteilten Wicklungseinheiten, die nacheinander vertikal zwischen einer Innenisolierhülse und einer Außenisolierhülse angeordnet sind, Horizontal-Kühlwegen, durch die Kühlfluid strömt, wobei jeder Horizontal-Kühlweg zwischen benachbarten Wicklungseinheiten festgelegt ist, und Innen- und Außen-Vertikal-Kühlwegen, durch die Kühlfluid strömt, wobei die Innen- und die Außen-Vertikal-Kühlwege zwischen der Innenisolierhülse und den Wicklungseinheiten bzw. zwischen der Außenisolierhülse und den Wicklungseinheiten festgelegt sind, wobei zwischen den Wicklungsuntereinheiten (5a, 5b) ein Mitten-Vertikal-Kühlweg (21) mit einem angenähert gleichen Abstand angeordnet ist der aus langgestreckten, in der Vertikalrichtung durch alle Wicklungsuntereinheiten (5a, Sb) angeordneten und mit den Horizontal-Kühlwegen (6a, 6b) verbundenen Durchgangsstromwegen (19) und aus mit dem Durchgangsstromweg (19) verbundenen Zweigleitungsstromwegen (20) besteht, um eine Strömung in die Horizontal-Kühlwege (6a, 6b) zwischen den Wicklungseinheiten (5) derart einzuführen, daß die Strömungsrichtung an der Oberseite jeder Wicklungseinheit (5) umgekehrt wie die Strömungsrichtung an der Unterseite dieser Wicklungseinheit (5) ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungseinheit (5) um die gleiche Windungszahl vermindert ist, so daß der Zweigleitungsstromweg (20) in jeder Wicklungseinheit (5) abwechselnd auf der rechten und linken Seite des Durchgangsstromweges (19) in der Vertikalrichtung liegt.

2. Elektrische Gerätewicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Band (23) mit mehreren Zwischenstücken (22) die Teilungsstelle von einer Wicklungseinheit (5) zur benachbarten Wicklungseinheit (5) versetzt ist.