title: Model Development for Fem-Simulation of a component consisting of cellulose fibers
Creators: name: Reitbauer, Alexander
Publisher: name: FH CAMPUS 02 (CAMPUS 02 Fachhochschule der Wirtschaft)
Year: 2023
Subjects: subject: 621 Angewandte Physik

description: Primäre Hauptbestandteile des Aktivteils eines Transformators sind Kern und Wicklungsblöcke. Ein Wicklungsblock setzt sich aus der Wicklung selbst, Isoliermaterialien und dem Druckring zusammen. Der am oberen Ende des Wicklungsblocks befindliche Druckring, besteht meist aus Zellulosefasern. Druckringe sind notwendig, um die Presskraft auf den Wicklungen während des Betriebs aufrechtzuerhalten, sodass ein Transformator, im Falle eines Kurzschlusses, den hohen Kräften standhalten kann. Aufgrund der jüngsten Veränderungen im Herstellungsprozess unseres Lieferanten, versagten die Druckringe bereits während des Herstellungsprozesses des Transformators. Diese Umstände führten zu hohen Fehlerkosten. Vorrangiges Ziel der Untersuchung ist es daher, die Ursache für das mechanische Versagen von Druckringen, insbesondere beim Aufbringen der Presskraft, während des Herstellungsprozesses zu identifizieren, um zukünftiges Versagen dieser Elemente zu vermeiden. Zu diesem Zweck wurde ein Materialmodell entwickelt, um mechanische Spannungszustände zu analysieren, welche zum Versagen der Druckringe führten. Des Weiteren wurden Festigkeitsuntersuchungen am Druckringmaterial vorgenommen, um mechanische Festigkeiten zu ermitteln. Da das Druckringmaterial ein komplexes Materialverhalten aufweisen, mussten zahlreiche Effekte erst eruiert und basierend auf den gewonnenen Daten berücksichtigt werden. Das Ergebnis dieser Forschung ist ein orthotropes Materialmodell, das zur Analyse von Spannungszuständen in Druckringen verwendet werden kann, wenn die Presskraft aufgebracht ist. Durch Vergleich der berechneten Spannungszustände mit den ermittelten Festigkeiten, kann der Grenzwert für die Auslegung bestimmt werden. Basierend auf der Ermittlung der kritischen Spannungszustände innerhalb der Druckringe können Maßnahmen abgeleitet und analysiert werden, um eine sichere Auslegung dieser Bauteile zu gewährleisten. Um die mechanischen Spannungen in Druckringen während des Pressvorgangs zu reduzieren, empfiehlt es sich, Unterlagsplatten zu designen und die Position der Hydraulikzylinder zu optimieren.
description: The active part of a transformer consists primarily of the core and the winding blocks. By definition, the active part includes all of the components that lead a current or are energized by an electromagnetic field and are required to transform the voltage from a higher level to a lower level or vice versa. A winding block consists of the winding itself, insulation materials and the clamping ring. Clamping rings that are located at the top of winding blocks consist of cellulose fibers. These rings are necessary in order to sustain the clamping force on the windings during operation so that a transformer can withstand high forces in case of short circuits or power line faults. Due to recent changes in the supplier’s production process, these clamping rings sometimes break during the transformers’ manufacturing process. Such breakages result in high costs. The aim of this study is to therefore identify the reasons behind the mechanical failure of clamping rings during the manufacturing process – when the clamping force is applied – in order to avoid future failure of these elements. For this purpose, a material model was developed to analyze the stress states which cause the clamping rings to fail. Furthermore, strength tests were conducted on the clamping ring material itself in order to establish the mechanical strengths. Numerous effects had to be considered since the material consisting of cellulose fibers exhibits a complex material behavior. The result of this study is an orthotropic material model which can be used to analyze stress states in clamping rings when the clamping force is applied. By comparing the simulated stress states to the established strengths, the limitations could be identified. As a result of identifying the critical stress states inside the clamping rings during the manufacturing process, measures can be derived and analyzed in order to generate a safe design for these components. In order to reduce mechanical stresses inside of the clamping rings during the clamping process, it is recommended that clamping base plates be designed and the alignment of the hydraulic jacks be modified.