DE3438144C2 - Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Einbringen eines Leiterdistanzierungsgliedes in eine solche Lagenwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3. Eine solche Lagenwicklung bzw. ein solches Verfahren ist im wesentlichen bekannt durch die DE-AS 18 11 797.

Es gibt Lagenwicklungen für Transformatoren mit einem Lei­ terdistanzierungsglied, welches mit einem Harz imprägnierbar ist und bis zu 155°C temperaturbeständig ist. Der Auf­ bau dieses Leiterdistanzierungsgliedes, das aus einem Glas­ faserprodukt mit gleichmäßig verteilten Glasfasern bestehen kann, ist jedoch so beschaffen, daß nur Harze ohne Füll­ stoffe verwendet werden können. Infolge guter Imprägnierbar­ keit entsteht aus dem Leiterdistanzierungsglied zusammen mit dem Gießharz eine elektrisch hoch beanspruchbare Isolation. Nachteilig ist jedoch, daß sich in der Isolation Räume oder Ansammlungen aus reinem Harz bilden können. Solche mit rei­ nem Harz gefüllten Räume können zur Bildung kleiner Hohl­ räume in der Isolation führen, weil Harz ohne Füllstoffe während des Gelier- und Härtungsvorganges schrumpft. Das Auftreten solcher Hohlräume hat zur Folge, daß in der Isola­ tion Glimmentladungen auftreten können.

Durch die DE-AS 18 11 797 ist eine gekapselte Spule für einen Transformator und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, bei dem zwischen den Leiterplatten als Lagenisolation eine Polyesterfasermatte eingelegt ist, die aus geschnittenen Polyesterfasern besteht, die mittels eines hitzebeständigen Harzes zu einer Isolierschicht verarbeitet sind. Nach dem Wickeln der Spule wird diese mit Isolierharz imprägniert, welches aufgrund der guten Kapillarwirkung der Polyesterfasermatte in die vorhandenen Hohlräume eindringt, wodurch die fertige Spule von solchen Hohlräumen frei ist.

Durch die DE-OS 23 28 652 ist eine Spule für einen Transforma­ tor bekannt, bei der die einzelnen Lagen zwischen einer un­ teren und einer oberen harzgetränkten Fadenwickelschicht eingebettet wird. Während des Wickelvorganges ist diese Fa­ denwickelschicht noch naß, und erst nach dem Wickeln findet die Aushärtung des Harzes statt. Durch dieses Verfahren soll einerseits die Entstehung von Hohlräumen in der Wicklungs­ isolation verhindert werden und andererseits eine gegenüber den Kurzschlußkräften des Transformators stabile Wicklung geschaffen werden. Zwischen den verschiedenen in Fadenwic­ kelschichten eingebetteten Leiterlagen sind in axialer Rich­ tung verlaufende Formstücke vorhanden, die zwischen sich Kanäle für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel für die fertige Wicklung bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lagenwicklung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welcher das Auftreten von Räumen, die mit reinem Harz ohne Füllstoffe gefüllt sind, vermieden wird , sowie ein Verfahren zum Einbringen eines Leiterdistanzierungsgliedes in eine solche Wicklung anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden eine Lagenwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, welche erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat, bzw. ein Verfahren nach Anspruch 3 vor­ geschlagen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 genannt.

Die Lagenwicklung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in der Isolation keine Hohlräume auftreten, so daß es auch nicht zu Glimmentladungen kommen kann. Die Isolation und damit die Wicklung ist daher für hohe elektrische Bean­ spruchungen geeignet.

Es ist wichtig, daß der Faden biegbar ist, damit die Wick­ lung kompakt wird. Er liegt dann nämlich, wie bei der Anwendung von Leiterdistanzierungsgliedern aus Glasfaserma­ terial, überall an der darunterliegenden Leiterlage an, ohne daß sich Hohlräume bilden. Ein Faden aus Polymer garantiert außerdem einen sicheren Abstand zwischen benachbarten Leiterlagen mit guten Maßtoleranzen. Da das Polymer homogen und hohlraumfrei ist, braucht es selbst nicht von dem Harz imprägniert zu werden. Ein außerordentlich wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie die Herstellung einer Leiterdistanzierung der genannten Art erheblich vereinfacht. Das Leiterdistanzierungsglied kann nämlich unmittelbar aus dem biegbaren Faden als solchem bei Her­ stellung der Wicklung gefertigt werden. Der Faden braucht somit nicht im voraus zu einem Gewebe oder einem anderen Produkt verarbeitet zu werden, in welchem einzelne Abschnit­ te des Fadens zu einer Einheit verbunden werden, die auf geeignete Weise auf der Leiterlage aufgebracht werden kann. Der Faden wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung in der Weise auf der Wicklung aufgebracht, daß er auf einer Leiterlage zwischen den Stirnflächen der Wicklung hin- und hergeführt wird, wobei er an den Stirnflächen derart abgebogen wird, daß zwischen benachbarten, in entgegenge­ setzten Richtungen verlaufenden Abschnitten des Fadens Abstände entstehen, die Kanäle bilden, welche bis zu den Stirnflächen der Wicklung sich erstrecken und das Eindringen des füllstoffhaltigen Harzes in die Wicklung ermöglichen.

Als Beispiele für ein für den Faden verwendbares Polymer können genannt werden: Polyamid, wie z. B. Polyhexamethylen­ adipamid, Polykaproamid oder ein Kopolymer aus Polyhexamethylenadipamid und Polyhexamethylen­ sebacamid, Polyester, wie Polyäthylenglykolterephtalat und außerdem Polykarbonat. Die als Beispiel genannten Polymere sind bis 155°C temperaturbeständig, zumindest dann, wenn sie in ein Gießharz eingebettet sind. Sie sind auch ausreichend druckstabil, um die Leiter der benachbarten Lagen in dem vorgesehenen Abstand voneinander zu halten. Der Polymerfaden hat zweckmäßigerweise einen Durchmesser von 0,5-3,5 mm und vorzugsweise einen Durchmesser von 0,5-2,5 mm. Nebeneinander angeordnete Abschnitte des Fadens in derselben Lage haben in seitlicher Richtung einen gegen­ seitigen Abstand (Breite der Kanäle) von zweckmäßigerweise 0,5-20 mm und vorzugsweise 0,5-10 mm.

Das Leiterdistanzierungsglied gemäß der Erfindung wird vor­ zugsweise in Lagenwicklungen mit runden oder bandförmigen (mit rechteckigem Querschnitt) Leitern aus Kupfer oder Aluminium verwendet. Der Leiter ist dabei vorzugsweise mit einem Lack isoliert, der mindestens bis 155°C tempera­ turbeständig ist, wie z. B. ein Lack aus Polyesterimid, Ter­ ephthalsäurealkyd oder Polyurethan.

Das Gießharz, das zusammen mit dem Leiterdistanzierungsglied verwendet werden soll, ist ein lösungsmittelfreies Harz, das einen Füllstoff enthält. Das lösungsmittelfreie Harz kann u. a. ein Epoxyharz, ein ungesättigtes Esterharz oder ein Polyurethanharz sein, insbesondere ein solches, das mindestens bis 155°C temperaturbeständig ist. Als Beispiel für geeignete Füllstoffe, die vorzugsweise aus anorganischem Material bestehen, können pulverförmige Füllstoffe, wie Quarz, Aluminiumoxyd, Glimmermehl, Kaolin, Kalk und Kreide sowie fibröse Füllstoffe, wie kurze Fasern (< 5 mm) aus Glas oder Asbest genannt werden. Der Gehalt an Füllstoff beträgt zweckmäßigerweise 20 bis 50 Prozent und vorzugsweise 35 bis 45 Pozent des Volumens von Harz und Füllstoff zusammen. Besonders wird ein Epoxyharz bevorzugt, das mit einem Leiterdistanzierungsglied aus Polyamid kombiniert ist, da ein Epoxiharz ein Polyamid sehr gut benetzt und eine sehr gute Bindung mit diesem ergibt.

Beim Gießen wird die Wicklung in einer Gießform plaziert, und das füllstoffhaltige Harz wird eingefüllt. Das Harz füllt dabei den Raum zwischen der Form und der Wicklung aus und dringt durch die von den Fadenabschnitten gebildeten Kanäle in das Leiterdistanzierungsglied zwischen den Leiterlagen ein. Das Eindringen des Harzes in die Kanäle kann durch die Anwendung von Vakuum und Erwärmung des Harzes beim Gießen erleichtert werden. Das Eingießen von Schaltverbindungen zwischen Wicklungsteilen und Anschlußgewindestücken bereitet keine Probleme.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematisiert darge­ stellte Lagenwicklung,

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 schematisch in Seitenansicht eine Ausführungsform einer Lagenwicklung gemäß der Erfindung während der Herstellung.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hochspannungslagen­ wicklung für einen Transformator ist der Abstand der Leiter benachbarter Lagen mit 1 bezeichnet und der Leiter mit 2. Die Leiter sind in Längsrichtung der Wicklung dicht neben­ einanderliegend in Lagen 3 gewickelt. Zwischen benachbarten Lagen ist ein Leiterdistanzierungsglied vorgesehen, welches die Leiterlagen in radialer Richtung in einem vorgegebenen Abstand voneinander hält. Aufgrund des Aufbaus des Leiter­ distanzierungsglieds aus Abschnitten eines Fadens 4, welche Fadenabschnitte zwischen sich Kanäle 5 bilden, in welche das Harz gut eindringen kann, werden die Kanäle vollständig mit füllstoffhaltigem Harz 6 ausgefüllt, welches ohne Bildung von Hohlräumen geliert und aushärtet. Da das den Faden bildende Polymer hohlraumfrei ist, sind auch in dem Faden selbst keine Hohlräume vorhanden, so daß der Raum zwischen den Leiterlagen in seiner Gesamtheit mit einer hohlraum­ freien Isolation ausgefüllt wird.

In der in Fig. 3 schematisch gezeigten, im Herstellungs­ stadium befindlichen Wicklung sind außerhalb der Stirnflächen der Wicklung auf einem Rahmen 7 für die Wicklung zwei abnehmbare Stirnwände 8 angebracht, die über ihren Umfang mit gleichmäßig verteilten Stiften 9 versehen sind. Das Lei­ terdistanzierungsglied wird aus einem zusammenhängenden Faden 4 gebildet, der in im wesentlichen axialer Richtung der Wicklung in einer hin und hergehenden Bewegung aufgebracht wird und um die Stifte 9 herumgeführt wird. Der Faden wird in einem lückenhaften Muster unter Bildung von Kanälen 5 zwischen seinen einzelnen Abschnitten aufgebracht. Zum Beispiel wird der Kanal 5a zwischen den Abschnitten 4a und 4b des Fadens bzw. der Kanal 5b zwischen den Abschnitten 4b und 4c des Fadens gebildet. Um Stirnwände 8 von der fertigen Wicklung wegnehmen zu können, können die Stifte 9 eindrückbar angeordnet sein, so daß sie nicht in radialer Richtung über die Peripherie der Stirnwände hinausragen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Faden an den Stellen zu durchtrennen, an denen er um die Stifte herum­ läuft.

Die Herstellung einer Wicklung gemäß der Erfindung kann bei­ spielsweise wie folgt vorgenommen werden:

Ein 3 mm starkes Rohr mit einem Innendurchmesser von 60 cm und einer Länge von 80 cm dient als Wicklungskörper (Wick­ lungsrahmen). Das Rohr besteht aus glasfaserarmiertem Epoxyharz. An den Enden des Rohres werden zwei Stirnwände 8 festgeschraubt, die denselben Außendurchmesser wie das Rohr haben. Jede Stirnwand ist mit eindrückbaren Stiften 9 versehen, die in einem Abstand von 5 mm voneinander an der Peripherie angebracht sind. Auf das Rohr wird ein lackierter Kupferdraht 2 (Leiter) mit einem Durchmesser von 4 mm gewickelt. Der Leiterdraht wird mit einer Vielzahl von Windungen pro Lage gewickelt. Danach wird um diese gesamte Leiterlage herum ein Faden 4 aus hohlraumfreien Polyamid mit einem Durchmesser von 1,0 mm in einem hin- und hergehenden Muster gewickelt, wobei der Faden an jeder Stirnfläche der Wicklung um die Stifte herumgeführt wird. Danach wird eine weitere Lage mit einer Vielzahl von Windungen des lackierten Kupferdrahtes auf diese Polyamidfadenlage gewickelt. Dann wird auf diese Kupferdrahtlage eine weitere Lage von Poly­ amidfäden in der oben beschriebenen Weise gewickelt, wonach entsprechend weitere Kupferdrahtlagen und eine Polyamid­ fadenlage gewickelt werden, bis die fertig gewickelte Spule aus vier Kupferdrahtlagen mit lückenhaft gewickelten Poly­ amidfäden zwischen den benachbarten Kupferdrahtlagen besteht. Anschließend werden die Stirnwände 8 entfernt, wobei die Stifte eingedrückt werden, damit die Wegnahme der Stirnwände nicht durch den um die Stifte geführten Draht verhindert wird.

Die Spule wird dann in einer aus dünnem Eisenblech beste­ henden Gießform plaziert. Das Ganze wird in einen Vakuumofen gebracht und 10 Stunden lang auf 90°Cerhitzt. Danach wird der Ofen vakuumgesaugt, wonach ein warmes, entgastes, quarzmehlgefülltes Epoxiharz in die Gießform gegossen wird. Das Epoxiharz besteht aus 100 Gewichtsteilen eines Bisphenol- Harzes, 100 Gewichts­ teilen eines Anhydrid-Härters, 1 Gewichtsteil Aminakzelerator und 300 Gewichtsteilen (entsprechend 40 Volumenprozent) Quarz­ mehl. Wenn die Wicklung vollständig mit dem Harz bedeckt ist, wird Luft mit Atmosphärendruck eingelassen. Das quarz­ mehlgefüllte Harz dringt nun in die Kanäle 5 zwischen den Fadenabschnitten ein und füllt die Räume zwischen diesen vollständig aus. Der Faden wird dabei von dem Harz umgeben, der nicht in das hohlraumfreie Polyamid eindringt. Danach wird die Temperatur im Ofen auf 120°C erhöht, wobei das Harz geliert und härtet. Da das Harz überall mit Quarzpulver gefüllt ist, gibt es keine ungefüllten Harzbereiche, in welchen Risse und Blasen auftreten können, in denen dann bei elektrischer Beanspruchung Glimmentladungen entstehen könnten. Ebensowenig können in dem im Harz eingebetteten hohlraumfreien Polymerfaden Glimmentladungen auftreten. Die Wicklung wird als Hochspannungswicklung für einen lagenge­ wickelten Transformator verwendet.

Claims (3)

1. Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drossel­ spule, welche mit einem füllstoffhaltigen Harz vergossen ist und Leiterdistanzierungsglieder aus Polymer in Form von biegsamen hohlraumfreien Fasern (Fäden) enthält, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiter­ distanzierungsglieder aus einem zusammenhängenden Faden (4) aufgebaut sind, dessen räumliche Abschnitte (4a, 4b, 4c) un­ ter Bildung von Kanälen (5, 5a, 5b) zwischeneinander auf Ab­ stand voneinander derart angeordnet sind, daß die Kanäle sich zumindest bis zu einer der Stirnseiten der Lagenwick­ lung erstrecken, damit das Eindringen des füllstoffhaltigen Harzes in die Wicklung ermöglicht ist.

2. Lagenwicklung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Lagenwicklung das Poly­ mer ein Polyamid und das Harz ein Epoxyharz ist.

3. Verfahren zum Einbringen eines Leiterdistanzierungs­ gliedes zwischen zwei Leiterlagen (3) einer Lagenwicklung für einen Transformator oder eine Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammenhängende Faden (4) auf einer Leiterlage in der Weise angebracht wird, daß er zwischen den Stirnflächen der Wicklung hin- und hergeführt wird, wobei der Faden an den Stirnflächen derart abgebogen wird, daß zwischen benachbar­ ten in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Abschnitten (4a, 4b) des Fadens Abstände entstehen, die Kanäle (5a, 5b) bilden, welche sich bis zu den Stirnflächen der Wicklung er­ strecken und das Eindringen des füllstoffhaltigen Harzes in die Wicklung ermöglichen.