Title:
Transformator mit integrierter Kühlung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Transformator (10) mit integrierter Kühlung, umfassend eine primar- und sekundärseitige Wicklung (16, 18) sowie eine in zumindest eine der beiden Wicklungen (16, 18) teilweise oder vollständig eingebettete Kühlmittelleitung (30, 32), die aus einer Versorgungseinrichtung (48) mit Kühlmittel speisbar ist. Hierbei weist die Kühlmittelleitung (30, 32) eine Vielzahl von Austrittsöffnungen (60, 62) auf, die in Richtung der zumindest einen Wicklung (16, 18) münden, um diese mit Kühlmittel zu beaufschlagen. embedded image





Inventors:
Tarasinski, Nicolai, Dr. (67227, Frankenthal, DE)
Kegel, Volker (68165, Mannheim, DE)
Kremer, Dennis (67475, Weidenthal, DE)
Application Number:
DE102017202124A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/10/2017
Assignee:
Deere & Company (Ill., Moline, US)
International Classes:
H01F27/12; H01F27/28
Domestic Patent References:
DE102012208545A1N/A
Foreign References:
6157282
JPS6065503A
JPS5878406A
Attorney, Agent or Firm:
derzeit kein Vertreter bestellt
Claims:
Transformator mit integrierter Kühlung, umfassend eine primar- und sekundärseitige Wicklung (16, 18) sowie eine in zumindest eine der beiden Wicklungen (16, 18) teilweise oder vollständig eingebettete Kühlmittelleitung (30, 32), die aus einer Versorgungseinrichtung (48) mit Kühlmittel speisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung (30, 32) eine Vielzahl von Austrittsöffnungen (60, 62) aufweist, die in Richtung der zumindest einen Wicklung (16, 18) münden, um diese mit Kühlmittel zu beaufschlagen.

Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung (30, 32) als flexible Schlauchleitung ausgebildet ist und aus hitzebeständigem Kunststoff besteht, insbesondere aus PTFE, Silikon oder Viton.

Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung (30, 32) mit der zumindest einen Wicklung (16, 18) gleichsinnig gewunden verläuft.

Transformator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und/oder zweite Kühlmittelleitung (30, 32) vorgesehen ist, wobei die erste Kühlmittelleitung (30) um eine innenliegende Wicklungslage (20) der primärseitigen Wicklung (16) und/oder die zweite Kühlmittelleitung (32) um eine außenliegende Wicklungslage (22) der sekundärseitigen Wicklung (18) gewunden ist.

Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlmittelleitung (30) entlang ihrer Wandung unidirektional verteilt angeordnete Austrittsöffnungen (60) aufweist.

Transformator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlmittelleitung (32) entlang ihrer Wandung ausschließlich nach innen gerichtete Austrittsöffnungen (62) aufweist.

Transformator nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dass die erste Kühlmittelleitung (30) einen Innendurchmesser von 2 bis 4 mm und/oder die zweite Kühlmittelleitung (32) einen Innendurchmesser von 5 bis 7 mm aufweist.

Transformator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem durch die Kühlmittelleitung (30, 32) fließenden Kühlmittel um ein hitzebeständiges Öl, insbesondere Silikonöl, handelt.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Transformator mit integrierter Kühlung, umfassend eine primär- und sekundärseitige Wicklung sowie eine in zumindest eine der beiden Wicklungen teilweise oder vollständig eingebettete Kühlmittelleitung, die aus einer Versorgungseinrichtung mit Kühlmittel speisbar ist.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2012 208 545 A1 eine wassergekühlte elektrische Spule eines Transformators bekannt. Diese umfasst einen geblechten Kern sowie eine darauf aufgebrachte mehrlagige Wicklung. Eine als flexibler Schlauch ausgebildete Kühlleitung ist um die Außenoberfläche der Wicklung gewunden. Die Kühlleitung ist zur Kühlung der Spule bzw. der Wicklung von einem Kühlmittel durchflossen. Gemäß einer abweichenden Ausgestaltung der Spule wird zudem eine innenliegende Anordnung der Kühlleitung zwischen den Lagen der Wicklung vorgeschlagen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Leistungsdichte durch weitere Verbesserung der Kühlleistung zu optimieren.

Diese Aufgabe wird durch einen Transformator mit integrierter Kühlung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Transformator mit integrierter Kühlung umfasst eine primar- und sekundärseitige Wicklung sowie eine in zumindest eine der beiden Wicklungen teilweise oder vollständig eingebettete Kühlmittelleitung, die aus einer Versorgungseinrichtung mit Kühlmittel speisbar ist. Hierbei weist die Kühlmittelleitung eine Vielzahl von Austrittsöffnungen auf, die in Richtung der zumindest einen Wicklung münden, um diese mit Kühlmittel zu beaufschlagen.

Durch die unmittelbare Umspülung der zu kühlenden Windungen mit Kühlmittel ist eine besonders gute Wärmeableitung sichergestellt, was zu einer entsprechenden Verbesserung der Leistungsdichte des Transformators führt. Das erwärmte Kühlmittel kann hierbei zwischen den Windungen der zumindest einen Wicklung in Richtung eines Auffangbehälters abfließen und von dort mittels einer von der Versorgungseinrichtung umfassten Kühlmittelpumpe einem Wärmetauscher zur Abgabe aufgenommener Abwärme zugeführt werden. Aufgrund der Kapillarwirkung aneinander grenzender Windungen ist eine selbsttätige Verteilung des Kühlmittels innerhalb der betreffenden Wicklung des Transformators gewährleistet.

In Laborversuchen konnte mittels eines mit der vorstehend beschriebenen integrierten Kühlung ausgestatteten Transformators eine Leistungsdichte von mehr als 5kW/kg erzielt werden.

Bei dem Transformator kann es sich beispielsweise um einen Mittelfrequenztransformator für Frequenzen im Bereich einiger 100 Hz bis einiger 1000 Hz handeln, der Bestandteil einer Energieübertragungsstrecke zwischen einer Energieversorgungsstation und einem elektrisch betriebenen landwirtschaftlichen Fahrzeug, beispielweise einem landwirtschaftlichen Traktor, ist. Zur Reduzierung von Leitungsverlusten erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie typischerweise auf Mittelspannungsniveau, was eine fahrzeugseitige Anpassung (Verringerung) auf Bordspannungsniveau erforderlich macht. Hierzu kann der Transformator als Zwei- oder Dreiphasentransformator ausgebildet sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Transformators gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Vorzugsweise ist die Kühlmittelleitung als flexible Schlauchleitung ausgebildet und besteht aus hitzebeständigem Kunststoff, insbesondere aus PTFE, Silikon oder Viton. Die Anzahl und/oder Verteilung der Austrittsöffnungen entlang der Wandung der Kühlmittelleitung wird hierbei auf Grundlage von Versuchen und/oder computergestützten Simulationen ermittelt.

Des Weiteren ist es möglich, dass die Kühlmittelleitung mit der zumindest einen Wicklung gleichsinnig gewunden verläuft, sodass zu möglichen Feldinhomogenitäten und damit Leistungsverlusten führende Zwischenräume innerhalb der betreffenden Wicklung reduziert werden können. Die Kühlmittelleitung kann hierbei zwischen benachbarten Windungen ein und derselben Wicklungslage verlaufen oder aber eine separate (Zwischen-)Lage bilden.

Insbesondere kann eine erste und/oder zweite Kühlmittelleitung vorgesehen sein, wobei die erste Kühlmittelleitung um eine innenliegende Wicklungslage der primärseitigen Wicklung und/oder die zweite Kühlmittelleitung um eine außenliegende Wicklungslage der sekundärseitigen Wicklung gewunden ist. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zwischen primär- und sekundärseitiger Wicklung des Transformators eine Isolierlage und/oder eine (aus Kupferfolie bestehende) HF-Abschirmung vorgesehen ist, mithin die Verwendung einer gemeinsamen Kühlmittelleitung aufgrund der räumlichen Trennung nicht möglich ist. Mit anderen Worten verlaufen die beiden Kühlmittelleitungen jeweils möglichst im Randbereich des durch die primär- und sekundärseitigen Wicklungen gebildeten Wicklungspakets, sodass sich unerwünschte Feldinhomogenitäten innerhalb des Wicklungspakets einschließlich der damit einhergehenden Leistungsverluste weitgehend vermeiden lassen.

Hierbei besteht die Möglichkeit, dass die erste Kühlmittelleitung entlang ihrer Wandung unidirektional verteilt angeordnete Austrittsöffnungen aufweist, sodass die primärseitige Wicklung von innen nach außen mit Kühlmittel durchströmt wird.

Dementsprechend ist es möglich, dass die zweite Kühlmittelleitung entlang ihrer Wandung ausschließlich nach innen gerichtete Austrittsöffnungen aufweist, was es ermöglicht, das Kühlmittel gezielt zur Kühlung der sekundärseitigen Wicklung auszubringen.

Das erwärmte Kühlmittel tritt hierbei an den Stirnseiten der primär- und sekundärseitigen Wicklungen aus, um von dort unter der Wirkung der Schwerkraft in den Auffangbehälter zurückzufließen.

Für den Fall, dass der Transformator als Spannungsherabsetzer ausgebildet ist, mithin die sekundärseitig auftretenden Verlustleistungen größer sind als die primärseitigen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die erste Kühlmittelleitung einen Innendurchmesser von 2 bis 4 mm und/oder die zweite Kühlmittelleitung einen Innendurchmesser von 5 bis 7 mm aufweist. Der genaue Innendurchmesser hängt - wie auch derjenige der Austrittsöffnungen - von unterschiedlichen Gegebenheiten ab, insbesondere der Viskosität des verwendeten Kühlmittels, dem Fördervolumen der Kühlmittelpumpe, dem Durchflusswiderstand der Wicklungen, der abzuführenden Verlustleistung, und dergleichen.

Bei dem durch die Kühlmittelleitung fließenden Kühlmittel handelt es sich bevorzugt um eine nichtleitende Kühlflüssigkeit mit nichtkorrosiven Eigenschaften, beispielsweise um ein hitzebeständiges Öl, insbesondere Silikonöl.

Der erfindungsgemäße Transformator mit integrierter Kühlung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformators im Schnitt, und
  • 2 ein perspektivische Außenansicht des in 1 wiedergegebenen Transformators.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformators im Schnitt.

Der Transformator 10 umfasst ein Blechpaket 12 sowie einen auf dem Blechpaket 12 angeordneten Wickelkörper 14 aus Kunststoff. Der Wickelkörper 14 trägt eine innenliegende primärseitige Wicklung 16 sowie eine außenliegende sekundärseitige Wicklung 18. Jede der Wicklungen 16, 18 weist mehrere Wicklungslagen 20, 22 auf. Die einzelnen Windungen 24, 26 der Wicklungslagen 20, 22 bestehen aus Kupferlackdraht oder lackisolierter Litze. Zwischen den beiden Wicklungen 16, 18 verläuft eine aus Kunststofffolie bestehende Isolierlage 28.

Beispielsgemäß ist der Transformator 10 als Spannungsherabsetzer ausgebildet, bei dem die Windungen 24 der primärseitigen Wicklung 16 einen gegenüber den Windungen 26 der sekundärseitigen Wicklung 18 geringeren Durchmesser aufweisen.

Des Weiteren ist eine erste und zweite Kühlmittelleitung 30, 32 vorgesehen, wobei die erste Kühlmittelleitung 30 in Gestalt einer Zwischenlage 34 um eine innenliegende (erste) Wicklungslage 20 der primärseitigen Wicklung 16 und die zweite Kühlmittelleitung 32 in Gestalt einer Außenlage 36 um eine außenliegende (letzte) Wicklungslage 22 der sekundärseitigen Wicklung 18 gleichsinnig gewunden ist. Wie sich 1 entnehmen lässt, verlaufen die Kühlmittelleitungen 30, 32 jeweils entlang der durch aneinandergrenzende Windungen 24, 26 gebildeten Zwischenräume 38, 40, sodass diese in die betreffende Wicklung 16, 18 teilweise oder vollständig eingebettet sind. Die sekundärseitige Wicklung 18 ist hierbei gemeinsam mit der zweiten Kühlmittelleitung 32 von einer weiteren abschließenden Isolierlage 42 umgeben.

Die beiden Kühlmittelleitungen 30, 32 sind Bestandteil eines Kühlmittelkreislaufs 44, der aus einem Auffangbehälter 46, einer von einer Versorgungseinrichtung 48 umfassten Kühlmittelpumpe 50, einem Wärmetauscher 52 zur Abgabe aufgenommener Abwärme sowie zugehörigen Zuleitungen 54, 56 und 58 besteht. Der Auffangbehälter 46 ist beispielsweise durch eine Bodenwanne eines nicht dargestellten Außengehäuses des Transformators 10 gebildet.

Jede der Kühlmittelleitungen 30, 32 weist eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 60, 62 auf, die in Richtung der betreffenden Wicklung 16, 18 münden, um diese unmittelbar mit Kühlmittel zu beaufschlagen bzw. zu umspülen. Genauer gesagt weist die erste Kühlmittelleitung 30 entlang ihrer Wandung unidirektional verteilt angeordnete Austrittsöffnungen 60 auf, wohingegen die zweite Kühlmittelleitung 32 entlang ihrer Wandung ausschließlich nach innen gerichtete Austrittsöffnungen 62 aufweist.

Das erwärmte Kühlmittel tritt anschließend an den Stirnseiten 64, 66 der primär- und sekundärseitigen Wicklungen 16, 18 aus, um von dort unter der Wirkung der Schwerkraft in den Auffangbehälter 46 zurückzufließen.

Die Kühlmittelleitungen 30, 32 sind jeweils als flexible Schlauchleitungen ausgebildet und bestehen aus hitzebeständigem Kunststoff, insbesondere aus PTFE, Silikon oder Viton. Die Anzahl und/oder Verteilung der Austrittsöffnungen 60, 62 entlang der Wandungen der Kühlmittelleitungen 30, 32 wird hierbei auf Grundlage von Versuchen und/oder computergestützten Simulationen ermittelt.

Beispielsgemäß weist die erste Kühlmittelleitung 30 einen Innendurchmesser von 2 bis 4 mm und die zweite Kühlmittelleitung 32 einen Innendurchmesser von 5 bis 7 mm auf. Der genaue Innendurchmesser hängt - wie auch derjenige der Austrittsöffnungen 60, 62 - von unterschiedlichen Gegebenheiten ab, insbesondere der Viskosität des verwendeten Kühlmittels, dem Fördervolumen der Kühlmittelpumpe 50, dem Durchflusswiderstand der Wicklungen 16, 18, der abzuführenden Verlustleistung, und dergleichen.

Bei dem durch die Kühlmittelleitung 30, 32 fließenden Kühlmittel handelt es sich um eine nichtleitende Kühlflüssigkeit mit nichtkorrosiven Eigenschaften, beispielsweise um ein hitzebeständiges Öl, insbesondere Silikonöl.

2 zeigt ergänzend eine perspektivische Außenansicht des in 1 wiedergegebenen Transformators 10, wobei die weitere Isolierlage 42 weggelassen ist, sodass der Verlauf der zweiten Kühlmittelleitung 32 entlang der durch die aneinandergrenzenden Windungen 26 der sekundärseitigen Wicklung 18 gebildeten Zwischenräume 40 sichtbar ist.

Bei dem Transformator 10 handelt es sich um einen Mittelfrequenztransformator für Frequenzen im Bereich einiger 100 Hz bis einiger 1000 Hz, der Bestandteil einer nicht dargestellten Energieübertragungsstrecke zwischen einer Energieversorgungsstation und einem elektrisch betriebenen landwirtschaftlichen Fahrzeug, beispielweise einem landwirtschaftlichen Traktor, ist. Zur Reduzierung von Leitungsverlusten erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie auf Mittelspannungsniveau, was eine fahrzeugseitige Anpassung (Verringerung) auf Bordspannungsniveau erforderlich macht. Hierzu ist der Transformator 10 als Zwei- oder Dreiphasentransformator ausgebildet.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102012208545 A1 [0002]