Aufbau eines Transformators

1. Das Wickeln

Spulen für Transformatoren im niederfrequenten Bereich  (20-300 Hz)  werden mit massiven Kupferlackdrähten (Elektrolytkupfer) auf speziellen Wickelmaschinen hergestellt. Bei kleineren Transformatoren werden hierzu üblicherweise standardisierte Spulenkörper zur Aufnahme der Wicklung verwendet.
Wenn es erforderlich ist können die Spulen auch freitragend mit sogenanntem  Backlackdraht aufgebaut werden. Bei diesem Verfahren wird ein spezieller thermoplastischer Draht bereits beim Wickeln erhitzt und somit mit den daneben liegenden Windungen verklebt (verbackt).


Je größer der Strom ist, den der Transformator transformieren muss, umso dicker wird der Wickeldraht in der entsprechenden Spule. Bei kleinen Strömen werden runde Querschnitte gewickelt. Bei höheren Strömen geht man zu Kupferlackdrähten mit Rechteckquerschnitten über, weil diese rechteckigen Querschnitte den vorhandenen Wickelraum besser ausnützen können als Runddrähte.


Werden sehr hohe Ströme erforderlich, lassen sich bei entsprechend vorhandenen  Wickel­maschinen auch die Wicklungen mit Flachkupferbändern aufbauen.  Alternativ werden mehrere Wicklungen mit geringeren Querschnitten aufgebaut und anschließend elektrisch parallel geschaltet.
Bei Großtransformatoren werden die Wicklungen auch aus Aluminium hergestellt, mit dem Vorteil des günstigeren Preises und dem Nachteil der hierdurch erforderlichen größeren Abmessungen des Transformators.

 

Isolation

Einen hohen Stellenwert im Transformator nimmt die Isolation ein!
So müssen nicht nur die einzelnen Windungen gegeneinander bestens isoliert sein, sondern auch die Wicklungen gegeneinander und gegen den Eisenkern.


Damit die einzelnen Windungen gegeneinander keinen Kurzschluss (Windungsschluss) bekommen können, werden Drähte eingesetzt, die komplett mit einem hochtemperaturfesten Kunststofflack ummantelt sind. Ein einziger Kurzschluss zwischen zwei einzelnen Windungen führt unweigerlich zur Zerstörung des Transformators.


Lagenisolationen sorgen dafür, dass die höheren auftretenden Spannungen zwischen den einzelnen gewickelten Spulenlagen, die übereinander liegen, zusätzlich gegeneinander isoliert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verlegung des Drahts während des Wickelns in mehrere Kammern, die nebeneinander liegen.

 

Herstellung

Um eine Wicklung genau in der gewünschten und passenden Form herstellen zu können, hilft ein Spulenkörper. Gleichzeitig bietet er eine weitere Isolation hin zum Kern, oder auch zu weiteren benachbarten Wicklungen. Diese Spulenkörper werden meistens aus Kunststoffspritzguss hergestellt. Sie können über eingespritzte Kontaktstifte oder auch Führungen, die für die einlaufenden oder auslaufenden Wicklungsenden zuständig sind verfügen.


Für größere Transformatoren werden keine Spulenkörper hergestellt, bzw. eingesetzt.
In diesen Fällen werden freitragende Wicklungen montiert und mit den Schenkeln der Transformatoren mittels Abstandshaltern oder Keilen fest verankert. Beim Herstellen der Wicklung ist es wichtig, dass die einzelnen Wicklungen generell gegeneinander gut isoliert sein müssen.

 

2. Das Schachteln

Der Kern wird aus einem Stapel aus einzelnen  dünnen Blechen  (in der Regel 0,3 oder 0,5mm) aufgebaut. Die Bleche sind einseitig mit einer Oxydschicht zur Isolation gegeneinander beschichtet. Diese Oxydschichten verhindern das Auftreten von Wirbelströmen im Eisenkern.


Die Blechflächen liegen parallel zur Richtung des magnetischen Flusses und damit senkrecht zum induzierten elektrischen Feld. Dadurch werden die Wirbelstromverluste reduziert. Je höher die Frequenz ist, desto dünner müssen die Bleche gewählt werden. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Eisenpaketes führen.


Die Transformatorenbleche werden wechselseitig in die fertig gewickelten Spulen eingelegt (geschachtelt) damit zwischen den einzelnen laminierten Blechen möglichst geringe elektromagnetische Streuverluste auftreten.

3. Das Verschweißen

Speziell bei Kleintransformatoren im Leistungsbereich zwischen 0,5 bis etwa 5kVA werden aus Kostengründen (schnellere Fertigung) die E-Paketbleche der Transformatoren nicht mehr wechselseitig geschachtelt sondern  als vorgefertigte Eisenpakete mit den I-Blechpaketen in Transformatoren-Schweißmaschinen verschweißt.


Die durch die Schweißnaht zusätzlich auftretenden Wirbelstromverluste sind bei den Kleintransformatoren in der Regel vernachlässigbar und können durch eine rechnerische Anpassung der Induktion ( Windungszahl der Wicklungen) ausgeglichen werden.

4. Das Vergießen

Für sehr gute Isolierungseigenschaften und einen geräuscharmen Betrieb sorgt das Vergießen.
Kleine Transformatoren für gedruckte Schaltungen werden  komplett in Kunststoffbecher eingelegt und anschließend mit Gießharz vollständig vergossen. Dies bringt neben der verbesserten Wärmeabfuhr und Feuchtigkeitsschutz auch einen praktisch geräuschlosen Betrieb mit sich.


Bei Großtransformatoren werden lediglich die Spulen mit Gießharz vergossen, da ansonsten die Kosten für das komplette vergießen zu teuer würden.

5. Qualitätssicherung

Jeder produzierte Transformator wird gemäß der Qualitätsmanagement-Norm DIN EN ISO 9001 in einer Einzelprüfung auf seine Qualität hin untersucht. So wird sichergestellt, dass nur einwandfreie Produkte das Haus verlassen.  

Info

Hier finden Sie eine Anleitung, wie ein Transformator hergestellt wird.

1. Das Wickeln
2. Das Schachteln
3. Das Verschweißen
4. Das Vergießen
5. Qualitätskontrolle

 

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