Grundstruktur von einphasigen Freileitungstransformatoren

1. Kern: Magnetischer Kreis & Mechanisches Gerüst

1.1 Kernfunktion & Materialanforderungen

• Kernrolle: Zwei-in-eins-Funktion – bildet einen geschlossenen Magnetkreis zur Übertragung des magnetischen Flusses und dient gleichzeitig als mechanische Halterung für die Wicklungen.
• Benötigte MaterialienHohe magnetische Permeabilität, minimale Hystereseverluste und Wirbelstromverluste.

1.2 Kernmaterialien (Entwicklung & aktueller Stand)

• Standard Dicke: 0.35 mm (erfüllt die Anforderungen an verlustarme Konstruktion).

1.3 Klassifizierung der Kernstruktur

• Kerntransformator (korrigiert von „Niere“)
  • Aufbau: Die Wicklungen sind auf den Kernsäulen angeordnet, wodurch eine Anordnung entsteht, bei der die Wicklungen den Kern umgeben.
  • Vorteil: Einfache Struktur, einfache Wicklungsinstallation und Isolierung.
  • Anwendung: Dominiert bei Haushaltsstromtransformatoren (häufigste Bauform).
• Manteltransformator
  • Aufbau: Die Wicklungen sind um die mittlere Kernsäule gehülset, wodurch eine Anordnung entsteht, bei der der Kern die Wicklungen umschließt.
  • Anwendung: Spezielle Szenarien, die eine kompakte Bauweise erfordern (z. B. kleine Netzteile).

1.4 Klassifizierung des Kernproduktionsprozesses

• Laminierter Kern
  • Fertigungsschritte: Siliziumstahlbleche stanzen und schneiden → versetzt anordnen und in vorisolierte Wicklungen einsetzen → mit Vorrichtungen fixieren.
  • Wichtigste Anforderung: Minimierung von Luftspalten an den Nähten, um den magnetischen Widerstand und die Eisenverluste zu reduzieren.
• Walzkern (Wickelkern)
  • Konstruktionsmerkmal: Integrale Wicklung von Siliziumstahlbändern, keine sichtbaren Nähte.
  • Vorteil: Geringere Leerlaufverluste, höhere magnetische Permeabilität (im Vergleich zu laminierten Kernen).

2. Wicklung (Spule): Kern für elektrische Schaltung

2.1 Wicklungsfunktion & Materialien

• Kernrolle: Überträgt elektrische Energie mittels elektromagnetischer Induktion – Hochspannungswicklungen sind mit dem Netz verbunden, Niederspannungswicklungen versorgen die Verbraucher.
• Materialien:
  
  • Kleinleistungstransformatoren: Isolierter, emaillierter Runddraht aus Kupfer.
  • Transformatoren mittlerer bis großer Kapazität: Flacher Kupferdraht oder flacher Aluminiumdraht (bessere Stromtragfähigkeit und Wärmeableitung).

2.2 Wicklungsklassifizierung (nach Position und Form)

2.2.1 Konzentrische Wicklung (Standardausführung)

• StrukturDie Hoch- und Niederspannungswicklungen sind konzentrisch auf den Kernsäulen aufgewickelt.
• Layoutregeln:
  
  • Standard: Niederspannungswicklung innen (erleichtert die Isolation mit dem Kern), Hochspannungswicklung außen.
  • Ausnahme: Niederspannungs-Hochstrom-Großleistungstransformatoren – Niederspannungswicklung außen (dicke Zuleitungen sind leichter zu verlegen).
• TastendesignDer Spalt zwischen den Wicklungen dient als Ölkanal (bei ölgekühlten Transformatoren) bzw. als Isolierschicht und verbessert so die Wärmeableitung und die Isolation.
• Untertypen nach WickelmethodeZylindrisch, spiralförmig, kontinuierlich (einfache Struktur, einfache Herstellung).
• AnwendungKerntransformatoren – die Bauart, die bei nahezu allen inländischen Leistungstransformatoren zum Einsatz kommt.

2.2.2 Überlappungswicklung (Pie-Wicklung)

• StrukturDie Hoch- und Niederspannungswicklungen sind in mehrere Drahtsegmente unterteilt, die abwechselnd entlang der Kernsäulenhöhe angeordnet sind.
• LayoutregelNiederspannungs-Drahtsegmente werden auf der oberen und unteren Lage platziert (vereinfacht die Isolierung).
• Wichtigste VorteileGeringe Leckreaktanz, hohe mechanische Festigkeit, bequeme Leitungsführung.
• AnwendungNiederspannungs-Hochstromtransformatoren (z. B. Ofentransformatoren mit hoher Kapazität, Widerstandsschweißmaschinentransformatoren).