Aufbau eines Transformators

Aufbau Transformator

1. Das Wickeln

Spulen für Transformatoren (kurz: Trafos) mit niedriger Spannung (20 – 300 Hz) werden mit massiven Kupferlackdrähten (Elektrolytkupfer) auf speziellen Wickelmaschinen hergestellt. Bei kleineren Transformatoren werden hierzu üblicherweise standardisierte Spulen (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 elektrische Strom ist, den der Trafo 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. Diese rechteckigen Querschnitte können den vorhandenen Wickelraum besser ausnutzen als Runddrähte.

Werden sehr hohe Ströme erforderlich, lassen sich bei entsprechend vorhandenen Wickel-maschinen auch die Wicklungen mit Flachkupferbändern aufbauen. Alternativ werden mehrere Wicklungen mit geringeren Querschnitten aufgebaut. Anschließend werden diese elektrisch parallel geschaltet. Bei Großtransformatoren werden die Wicklungen aus Aluminium erzeugt. Der Vorteil hierbei ist der günstigere Preis. Die hierdurch erforderlichen größeren Abmessungen des Transformators ergeben sich als Nachteil.

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. Diese sind komplett mit einem hoch Temperaturfesten Kunststofflack ummantelt. Ein einziger Kurzschluss zwischen zwei einzelnen Windungen führt unweigerlich zur Zerstörung des Trafos.

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 erzeugt. 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 beziehungsweise eingesetzt. Bei diesen Trafos werden freitragende Wicklungen montiert und mit den Schenkeln der Transformatoren mittels Abstandshaltern oder Keilen fest verankert. Primär ist es beim Herstellen der Wicklung 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 0,5 mm) 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 mit einer Leistung von 0,5 bis etwa 5kVA werden aus Kostengründen (schnellere Fertigung) die E-Paketbleche der Transformatoren nicht mehr wechselseitig geschachtelt. Vielmehr werden diese 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. Die Wirbelstromverluste können durch eine rechnerische Anpassung der Induktion (Windungszahl der Wicklungen) ausgeglichen werden.

4. Das Vergießen

Das Vergießen sorgt primär für sehr gute Isolierungseigenschaften und dafür, dass der Trafo geräuscharm funktioniert. Kleine Transformatoren für gedruckte Schaltungen werden komplett in Kunststoffbecher eingelegt. Anschließend werden diese Transformatoren mit Gießharz vollständig vergossen. Als Leistung bringt dies neben der verbesserten Wärmeabfuhr und Feuchtigkeitsschutz auch einen praktisch geräuschlosen Betrieb mit sich.

Bei Großtransformatoren werden lediglich die Spulen mit Gießharz vergossen. Ansonsten würden die Kosten für das komplette Vergießen zu teuer werden.

5. Qualitätssicherung

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