AT405580B

AT405580B - Folienspule zur erzeugung starker (impuls-)magnetfelder

Info

Publication number: AT405580B
Application number: AT196695A
Authority: AT
Original assignee: Hauser Hans Dr; Bugram Christoph; Vorlicek Karl Dipl Ing
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1999-09-27
Also published as: ATA196695A

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Folienspule, insbesondere zur Erzeugung starker (Impuls-) Magnetfelder, mit mehreren elektrisch parallel geschaltenen Folienwicklungspaketen, bestehend aus jeweils mehreren Lagen leitfähiger Folie mit zwischenliegenden Lagen dünner Isolierfolie, die in axialem Abstand zueinander auf ein axial geschlitztes, metallisches Innenrohr aufgebracht sind, wobei die elektrische Kontaktierung der innersten Folienlagen grossflächig über das geschlitzte Metallrohr erfolgt, das seinerseits mit einer elektrischen Zuführungsleitung verbunden ist. Solche Spulen finden beispielsweise in Aufmagnetisierungsanlagen Verwendung : Üblicherweise wird zu diesem Zweck das Magnetfeld im Inneren einer mit Draht bewickelten Zylinderspule erzeugt, in welche der zu magnetisierende Probenkörper eingebracht wird.

An Stelle der konventionellen, mit Draht bewickelten Spule wird eine spezielle Folienspule vorgeschlagen, welche die typischen Nachteile der Drahtspulen vermeidet, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung
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einfacher Weise mit konventionellen Wickelmaschinen hergestellt werden, wobei der Drahtdurchmesser in relativ weiten Bereichen variiert werden kann. Im Vergleich zur Folienspule weist die Drahtspule bei gleicher Windungszahl einen höheren Widerstand und bei hohen Frequenzen bzw. kurzen Impulsen zusätzlich Verluste durch den Skin-Effect auf. Bei mehrlagig gewickelten Drahtspulen können grosse Spannungsunterschiede zwischen benachbarten, (übereinanderliegenden) Wicklungslagen auftreten.

Deswegen müssen bei solchen Drahtspulen die Hohlräume - so auch Lufteinschlüsse - zwischen den Windungen zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit mittels einer aufwendigen Harztränkung, gegebenenfalls unter Vakuum, eliminiert werden. Weiters bewirkt die Tränkung der Drahtwicklung eine erhöhte Stabilität gegenüber den Kräften zwischen den stromdurchflossenen Windungen. Diese Kräfte begrenzen die Einsatzfähigkeit solcher Spulen, da der geringe Füllfaktor in der Grössenordnung von etwa 73% und die Form und Grösse des Drahtquerschnitts nur eine beschränkte Abstützung der Windungen zueinander erlauben. Drahtspulen lassen aufgrund ihrer hohen Induktivität keine schnellen Schaltvorgänge zu, weshalb ihre Verwendung im Starkstrombereich stark eingeschränkt ist.

Folienspulen sind aus der Hf-Technik hinlänglich bekannt : in der Hf-Technik werden sie hauptsächlich wegen ihrer geringen Verluste geschätzt, da die gegenüber Wicklungsdraht grössere Oberfläche der einzelnen Folienlagen den negativen Einfluss des Skin-Effekts reduziert.

Da jedoch nur kleine Signalströme und damit nur kleine Felder auftreten, sind jene Folienspulen nicht unmittelbar in der Energietechnik einsetzbar : Neben der Erzeugung grosser Feldstärken bzw. Induktionen müssen in der Energietechnik verwendbare Spulen mechanische Stabilität der Wicklung gegenüber den einwirkenden Kräften, hinreichende Eigenschaften zur Verlustwärmeabfuhr und möglichst hohen Füllfaktor bzw. kleine Abmessungen aufweisen.

Eine Spulenanordnung für Aufmagnetisierungsantagen muss folgende Anforderungen erfüllen :
1. Zur Erzielung höchster Induktionen muss auf einen möglichst kleinen Innenradius der Folienwicklung und damit auf einen möglichst dünnwandigen Träger (Innenrohr) der Folienwicklung geachtet werden, da die Feldbeiträge der innersten Folienlagen am grössten sind.

2. Um hohe Aufmagnetisierungszyklen (Taktzeiten) erzielen zu können, muss die Verlustwarme effektiv abgefürt werden, weswegen schmale, parallel geschaltene Folienpakete mit axialem Abstand zueinander verwendet werden, sodass kurze Wärmeleitwege zu den Seiten der Folie gegeben sind, die dann ihrerseits vom Kühlmittel umströmt werden. (Der schmale Hohlraum zwischen den einzelnen Folienpake- ten bewirkt fast keine Feldschwächung bzw. Inhomogenität.)
3.

Die Elemente zur äusseren, radialen Fixierung der Folienpakete müssen den auftretenden Kräften standhalten und sollten zur Reduktion der benötigten Einzelteile der Konstruktion gleichzeitig eine möglichst grossflächige Stromeinkopplung ermöglichen, wie auch die Parallelschaltung der einzelnen
Pakete und den Zutritt des Kühlmediums.

Nachfolgend sei der Stand der Technik erläutert :
1. Die FR 114. 604A offenbart eine Halterung bzw. ein mehrteiliges Aufnahmestück für eine Folienwick- lung, wonach ein in der Langsachse geschlitztes Aluminiumrohr als Träger für die Folienwicklung dient.

Zwecks höherer Stabilität wird der Schlitz mit einem isolierenden Plattenstuck oder mit einem eingesetz- ten T-Stück überbrückt, wobei dieses Teil fest mit dem Rohr verbunden ist. Zusätlich werden an den
Zylinderenden nichtleitende Spannringe angebracht, welche Rohr und Füllstück stabilisieren. Dieser
Vorschlag ermöglicht eine homogene Stromeinkopplung.

2. Die DE 1 194 496C beinhaltet eine auf einen geschlitzten Spulenring gewickelte Flachbandspule, deren inneres Ende mit einem Keil versehen ist. Dieser Keil wird in eine entsprechenden Ausnehmung im Spulenring plaziert und soll das Aufbringen der Wicklung unter Aufrechterhaltung einer gleichmässigen
Bandspannung erleichtern. Der Keil ermöglicht eine gleichmässige Spannung der Folie beim Wicklung- vorgang, unterbindet allerdings eine grossflächige Stromeinkopplung. Die Dichtigkeit gegenüber Flüssig- keiten ist nicht gegeben.

3. Die DE 1 202 902B beschreibt eine Spule aus eloxiertem Aluminiumband und die Ausführung der inneren und äusseren, elektrischen Anschlussfahnen.

Dabei wird die die Spulenwicklung über ihren (gesamten) Umfang von einem metallischen Spannband umschlossen, welches auch eine Anschlussfahne aufweist, sodass die äussere Kontaktierung auch dem Zusammenhalt der Wicklung dient. Nach diesem Vorschlag müssten mehrere, axial benachbarte Wicklungspakete über zusätzliche Kabelverbindungen parallelgeschalten werden, sowie für jedes Paket separate Bänder vorgesehen werden.

4. In der US 1 157 696A werden separate elektrische Anschlussstücke für eine Folienspule beschrieben, welche an der Innenseite der Wicklung zwischen Trägerrohr und Folie angebracht werden und an der Aussenseite über den Druck eines die Wicklung umschliessenden Spannbandes mit der Folie kontaktiert werden. Dem Vorteil der einfachen Herstellung steht der Nachteil der geringflächigen, inhomogenen Stromverteilung gegenüber. Auch hier wären mehrere Spannbänder bzw. zusätzliche Kabelverbindungen nötig.

5. In der GB 1 235 041A werden mehrere, axial voneinander distanzierte Wicklungspakete auf einem isolierten Trägerrohr gewickelt. Die beschriebene Serienschaltung der einzelnen Pakete erfolgt über metallische, laschenförmige Anschlussstücke, die sowohl an der Innenseite des Wicklungspaketes, als auch an der Aussenseite mit der entsprechenden Folie vernietet werden. Diese Eigenschaften und Aussagen entsprechen weitgehend jenen unter Punkt 4.

6. Die WO 92/02941 A beschreibt einen Transformator, der mit Hilfe zweier axial benachbarter Folienwicklungen aufgebaut wird. Die elektrische Verbindung der beiden Wicklungen (entsprechend der Primär-u.

Sekundärwicklung eines Spartransformators) wird durch einen leitfähigen Gurt oder durch ein leitfähiges Band geschaffen. Dieses Metallband umschliesst und verbindet beide Folienpakete nahezu über den gesamten Umfang, jedoch jeweils nur einen Teil der Breite der Folienpakete. Die Verbindung zwischen dem Metallband und den beiden Wicklungen erfolgt durch Löten. Zur Vermeidung der Ausbildung einer Kurzschlusswindung wird ein Isolierstuck verwendet, welches Anfang und Ende des leitfähigen Bandes oder Gurtes voneinander isolieren. Die innenliegenden Folienenden werden mit Massivleitern verbunden.

Da der Hohlraum zwischen den benachbarten Spulen durch das Verbindungsband verschlossen ist, kann kein Kühlmedium zu diesen Seiten der Spulenpakete gelangen. Bei höheren Kräften, wie sie in Aufmagnetisierungsanlagen auftreten, müssen die Folienpakete durch eine Vorrichtung an der radialen Aussenseite vollflächig abgestützt werden.

7. Nach der EP 040 262A werden für Kraftwerksanwendungen gekühlte, koaxiale Folienspulen beschrieben, die in axialem Abstand zueinander auf einem Trägerelement angeordnet sind, wobei mehrere Spulen elektrisch parallelgeschalten sind Die Gestaltung des Folienträgers 35 nach dortiger Figur 1 ermöglicht die axiale Durströmung des Folienträgers mit Kühlmittel, sodass der magnetische Kern 36
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tet wird und dass rillenartige Durchbrüche im Träger 35 zwischen den Folienpakete den radialen Austritt des Kühlmediums ermöglichen, sodass die Kühlflüssigkeit den Hohlraum spült, der durch jeweils zweier benachbarter Folienpäkete gebildet wird und somit die Wärme der Folienwicklungen radial abtranspor- tiert wird.

Während die in den Punkten 1 bis 5 zitierten Patentschriften hauptsächlich konstruktive Massnahmen zur
Spulenherstellung offenbaren, beschreibt dieses Dokument eine Möglichkeit zur Verlustwärmeabfuhr und bietet durch die axialen Kühlkanäle die Möglichkeit zur Kühlung eines Magnetkernes. Die Vergrösserung des Innendurchmessers einer Folienspule führt aber zu einer starken Feldschwächung im zylindrischen
Hohlraum der Spule, die durch das Einbringen eines magnetischen Kerns (u. Kern ujft) teilweise kompensiert werden kann. Diese Feldschwächung ist aber gerade bei Aufmagnetisierungsanlagen unerwünscht, da der Probenkörper vorgegebener Grösse und vorgegebener Permeabilität von hoher
Induktion durchsetzt werden soll.

Deswegen muss das Folienträgerrohr möglichst dünnwandig gestaltet und eine andere Möglichkeit gefunden werden, die Verlustwärme abzuführen.

Aufgabe :
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Folienspule zu schaffen, die eine bessere Kühlung der inneren Folienlagen und eine einfache, grossflächige und somit verlustarm Kontaktierung der Folien mit den Zuführungsleitern ermöglicht.

Lösung :
Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Folienpakete (9) an mindestens einer inneren Lageinsbesondere im mittleren Radiusbereich der Folienpakete (9) - durch jeweils einen oder mehrere Kühlstrei-

fen (10) des Folienmaterials untereinander verbunden sind bzw. axial aus den Folienpakete herausragen (Anspruch 1).

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Kühistreifen (10) beim Wickelprozess eingebracht und gegebenenfalls mittels Klebstoff fixiert (Anspruch 2).

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Folienpakete zur elektrischen Parallelschaltung an ihren radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich des Hohlraums zwischen den Spulenpaketen, geschlitzten oder gelochten Halbschalen (8) umfasst und über geeignete Isolierstücke (15, 16) zusammengespannt wobei mindestens eine Halbschale mit einer elektrischen Zuführungsleitung (14) verbunden ist (Anspruch 3).

Nach einer anderen Ausführung der Erfindung wird die Folienspule von einem Gehäusemantel umfasst, der zusätzliche Strömungsleitbleche für das Kühlmedium aufweist (Anspruch 4).

Die flüssigkeitsgefüllte Ausführung der Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusemantel flüssigkeitsdichte Kabeiverschraubungen angebracht sind (Anspruch 5).

Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung sind im Zwischenraum der Spulenpakete an die Streifen (10) Temperaturfühler angebracht. Weitere solche Sensoren können am metallischen Innenrohr (1) bzw. an den Halbschalen (8) angebracht sein, deren Steuersignal einer im Inneren des Spulengehäuses befindlichen oder einer externen Verarbeitungselektronik zugeführt wird (Anspruch 6).

Gemäss einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die innersten Folienlagen direkt mit den elektrischen Zuführungsleitern kontaktiert, wobei die (radial) innersten Folienlagen auch jeweils mehrfach, gefalzt und unter den Folienpakete herausgeführt sind (Anspruch 7).

Nach der Erfindung erfolgt eine zusätzliche Kontaktierung der innersten Folienlagen mit dem Innenrohr (1) durch Punktschweissen, Nieten oder Löten, vorzugsweise am inneren Ende der Folienbahn, wobei die Stromzuführung zum Innenrohr (1) mittels Schellen (7) und Zuführungskabeln (4) oder durch unmittelbar angelötete bzw. angeschweisste Zuführungsleiter erfolgt, die gegebenenfalls wiederum zu Anschlussösen am Spulengehäuse gefuhrt sind' (Anspruch 8).

Die flüssigkeitsgekühlte Variante der Folienspule ist dadurch gekennzeichnet, däss der Schlitzbereich des Innenrohres (1) mit einem Isolierstück (2), vorteilhafterweise in Gestalt eines 1- oder T-Profils, kühlmitteldicht verschlossen ist (Anspruch 9).

Eine andere Ausführung der Folienspule weist ein geschlitztes innenrohr (1) auf, das auf einem innenliegenden, dünnwandigen, durchgehenden Kunststoffrohr (3a) angebracht ist, wobei die Verbindung beider Rohrhülsen (1,3) durch eine Klemmvorrichtung oder durch Klebung erfolgt (Anspruch 10).

Gemäss der Erfindung kann die Isolierung der Leiterfolie durch Pulverbeschichtung oder Lackiertung erfolgen oder aber auch mit Hilfe einer Isolierfolie, die auf die Leiterfolie aüfkaschiert ist (Ansprüche 11,12).

Die Erfindung eignet sich weiters ganz hervorragend für alle Spulenvorrichtungen, die über einen in sich geschlossenen magnetischen Kern bzw. über ein magnetisches Joch verfügen. Diese Ausführungen werden in der Praxis beispielsweise als Entstör- oder Abschaltdrossel eingesetzt (Ansprüche 13, 14).

Zur Erzeugung starker (Impuls-) Magnetfelder werden nach einer weiteren Ausführung der Erfindung die Folienpakete zur elektrischen Parallelsehaltung an ihren radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich des Hohlraums zwischen den Spulenpaketen, geschlitzten oder gelochten Halbschalen (8) derart umfasst, dass eine grossflächige elektrische Kontaktierung mit homogener Stromverteilung an den äusseren Folienlagen erfolgt und dass mindestens eine Halbschale wiederum mit einer weiteren elektrischen Zuführungsleitung (14) verbunden ist und dass diese Halbschalen über geeignete Isolierstücke (15,16) zusammengespannt sind (Anspruch 15).

Um die Verlustwärme effektiv abzuführen, wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer inneren Lage des Folienpakete, vorzugsweise im mittleren Radiusbereich, jeweils ein oder mehrere Kühistreifen (10) axial aus den Folienpaket herausragen (Anspruch 16).

Die Streifen (10) werden beim Wickelprozess eingebracht und gegebenenfalls mittels Klebstoff fixiert (Anspruch 17).

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Folienpaket an seinen radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich der (axialen) Enden, geschlitzten oder gelochten Halbschalen (8) umfasst und über geeignete Isolierstücke (15, 16) zusammengespannt und dass mindestens eine Halbschale mit einer elektrischen Zuführungsleitung (14) verbunden ist (Anspruch 18).

Eine Ansführung der gekühzten Folienspule weist wiederum einen Gehäusemantel auf, der vorzugsweise mit separaten Strömungsleitblechen ausgestattet ist (Anspruch 19).

Die flüssigkeitsgekühlte Ausführungsform der Erfindung ist am Gehäusemantel mit flüssigkeitsdichte Kabelverschraubungen versehen (Anspruch 20).

Eine erfindungsgemässe Ausführung der gekühlten Folienspule ist dadurch gekennzeichnet, dass an die an den Enden des Folienpakete herausragenden Streifen (10) Temperaturfühler angebracht sind und/oder dass (weitere) solche Sensoren am metallischen Innenrohr (1) bzw. ah den Halbschalen (8) angebracht sind, deren Steuersignal einer im Inneren des Spulengehäuses befindlichen oder einer externen Verarbeitungselektronik zugeführt wird (Anspruch 21).

Schliesslich erlaubt die Ausführung der Folienspule mit den an den Enden herausragenden Kühistreifen (10) eine Wärmeabgabe durch Konvektion (Anspruch 22).

Vorteile der Folienspule :
Bei geeignetem Aufbau der Folienspule kann ein Füllfaktor von bis zu 95% erzielt werden. Die geringe
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lediglich sehr dünne Isolationschichten. Die selbsthemmend wirkende, grossflächige Abstützung der Folienlagen sowie der Fixierung der Folienpakete mit einfachen Klemmvorrichtungen erlauben sehr viel höhere elektrische Belastungen. Weiters zeichnet sich die Folienspule durch niedrigere Stromdichte, kleineren ohmschen Widerstand und geringere Verluste bei hohen Frequenzen zufolge Skin-Effekt aus. Schliesslich kann durch die im folgenden vorgeschlagenen Massnahmen eine effiziente Verlustwarmeabfuhr gewährleistet werden.

Kenngrössen der Folienspule :
Schliesslich werden die beiden wichtigsten Kenngrössen der Folienspule, nämlich ihr ohmscher Widerstand und ihre Induktivität näherungsweise angeführt : Der Widerstand R der Folienspule lautet
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wobei p den spezifischen Widerstand des leitenden Folienmaterials, N die Zahl der Folienlagen, Dm den mittlere Durchmesser der Folienspule, b die Folienbreite und d den Innendurchmesser benennen.

Für die Induktivität LFOie gelten die Gleichungen
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mit den weiteren Beziehungen
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(N)Permeabilität des leeren Raumes und A die durchflutete Querschnittsfläche dar. D, und Dm sind Innendurchmesser bzw. mittlerer Durchmesser der Folienspule. Eine Optimierung der Spulengeometrie nach maximaler Flussdichte im Inneren der Spule ist in Figur 1 veranschaulicht, woraus die geringe Baugrösse bei hohen Feldern hervorgeht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen :
Figur 2 zeigt da Querschnitt der Folienspule mit dem geschlitzten metallischen Rohrstuck (1), welches entweder aufeinem Kunststoffträger (3) fixiert ist oder mit Hilfe des Isolierstückes (2) distanziert wird.

Figur 3 zeigt ein einzelnes, ungeschlitztes, nichtleitendes Innenrohr (3) als Folienträger und den elektrischen Zuführungsleiter (4) bzw. die Anschlussöse (5) an der gefalzten Folie (6).

In Figur 4 wird die grossflächige Kontaktierung der innersten Folienlage mittels der Schellen (7) am Metallträger (1) dargestellt.

In Figur 5 wird die grossflächige Stromeinkopplung an der äussersten Folienlage mit Hilfe der Halbschalen (8) dargestellt.

Figur 6 zeigt die einzelnen, axial distanzierten Folienpakete (9) samt der geschlitzten Halbschalen (8), die einersseits den Kühlmittelzutritt in Zwischenraum der Folienpakete, andererseits die grossflächige Stromeinkopplung an der äussersten Folienlage ermöglichen.

Figur 7 zeigt die Streifen (10), welche etwa im mittleren Radiusbereich in die Folienpakete eingebracht sind, womit die Wärme aus dem Inneren der Folienpakete (9) wirkungsvoll abgeführt werden kann. Die Streifen (10) werden an den Enden der Spule und im Bereich zwischen den einzelnen Folienpakete vom Kühlmittel umströmt.

Aufbau der Folienspule :
Die Magnetisierungsspule wird nach Figur 2 (in Querschnittsansicht) mittels eines dünnwandigen, geschlitzten, metallischen Innenrohres (1) aufgebaut, welches zur mechanischen Stabilisierung, bei Flüssig-
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(1) und (3) durch eine Klemmvorrichtung oder durch Klebung erfolgt.

Bei geringer thermischer Belastung kann nach Figur 3 auch nur ein einzelnes, ungeschlitztes, nichtleitendes Innenrohr (3) verwendet werden. In diesem Falle erfolgt die Stromzuführung direkt über die innerste Lage der Folienwicklung (6), wobei die Folie oder auch nur Streifen der Folie beispielsweise gefalzt und ein-oder beidseitig axial unter der Wicklung herausgeführt sind.

Das herausgeführte Folienstück wird mit den Anschlusskabeln (4) oder Ösen (5) verbunden (Um eine homogene Stromverteilung zu erzielen, wird man die Folie mehrfach falzen und herausführen, dass mindestens zwei Einkoppeistellen, vorzugsweise an beiden Seiten der Folienwicklung, vorgesehen werden.)
Die Verwendung eines entlang der Längsachse geschlitzten Innenrohres (1) verbessert einerseits die Wärmeabfuhr, andererseits wird eine äusserst homogene Stromverteilung an den Einspeisestellen ermöglicht, wenn die innerste Lage der Folienwicklung das metallische Rohr grossflächig berührt.

Eine zusätzliche Kontaktierung der innersten Folienlage mit dem Innenrohr (1) kann nach Figur 4 durch punktschweissen, nieten oder löten, vorzugsweise am inneren Ende der Folienbahn erfolgen, wodurch die Folienwicklung zusätzlich mechanisch fixiert und der Übergangswiderstand zwischen Metallrohr und Wicklung von Oxydschichten nicht mehr negativ beeinflussbar ist Die Stromzuführung zum Rohr (1) erfolgt über ein-oder beidseitig angeordnete, entsprechend gestaltete Schellen (7) und Kabeln (4) oder durch angelötete bzw. angeschweisste Leiter, die wiederum zu Anschlussösen am Spulengehäuse geführt sind
Schliesslich werden die Folienlagen, vorzugsweise aus Kupfer, (wegen des angestrebten Füllfalltors) gemeinsam mit möglichst dünnen Isolierfolien auf den Spulenkörper gewickelt.

Hochwertige, formtreue Folien, deren Kanten nicht gewölbt sind und keine Grate aufweisen, können (pulver-) beschichtet, lackiert oder auch ummantelt ausgeführt sein, sodass auf die separate Isolierfolie verzichtet werden kann. (Die Potentialdifferenz der aufeinanderliegenden Lagen ist im allgemeinen sehr klein, in der Grössenordung von einigen Volt, wodurch an die Isolation keine hohen Anforderungen gestellt werden. ) An der Aussenseite der Folienwicklung werden nach Figur 5 Spannelemente, etwa in Form von metallischen Halbschalen (8) so angebracht, dass die beiden Halbschalen elektrisch voneinander isoliert sind Die Isolierung erfolgt beispielsweise mittels Kunststoffschrauben (16) oder mit Hilfe unter den Schraubenköpfen beigelegten Isolierkörpern (15).

Mit Hilfe dieser Spannelemente wird gleichzeitig eine grossflächige Stromeinkopplung in die Wicklung, beispielsweise über eine Halbschale, ermöglicht, wobei zweckmässigerweise entsprechende Ösen (5) unter den Schraubenköpfen oder Muttern (bzw. unter den Isolierstücke) die elektrische Verbindung über Kabeln zu den externen Anschlusspunkten, beispielsweise am Spulengehäuse, erlauben Natürlich sind auch andere Vorrichtungen zur Aufnahme der auftretenden Kräfte denkbar, genauso wie separate Spannelemente und separate Elemente zur Stromeinkopplung.

Erfindungsgemässer Vorschlag
Energietechnische Anwendungen erfordern aufgrund der hohen Verlustleistungen Einrichtungen zur verbesserten Kühlung. Die Kühlung wird entweder durch eine verstärkte Luftströmung mittes Lüfter oder über ein flüssiges Kühlmedium und (separatem) Wärmetauscher vorgenommen. Zur effizienten Wärmeableitung werden mehrere, getrennte Folienpakete (9) nebeneinander über das Innenrohr (1) gewickelt, wobei ein Abstand weniger Millimeter zwischen den Paketen die Zufuhr des Kühlmittels ermöglicht, die Homogenität des Feldes aber nicht beeinträchtigt. (Naturgemäss reduziert die kleinere Breite auch den Wärmewiderstand der einzelnen Pakete in der massgeblichen axialen Richtung.

Die radialen Wärmeleitwege sind zu lang und verhindern eine effektive Wärmeabfuhr.) Figur 6 zeigt die Anordnung einer solchen Spule, wobei die oben erwähnten Vorrichtungen, nämlich das Rohr (1) und das geschlitzte oder perforierte Halbschalenpaar (8) die elektrische Verbindung der einzelnen Wicklungspakete, die Stromeinspeisung und die mechanische Fixierung selbiger gewährleisten. Die Perforation oder die Schlitze der Halbschalen im Bereich des Zwischenraumes benachbarter Folienpakete ermöglichen nun auf einfache Weise die Umspülung der Seitenflächen der Folienpakete und eine effiziente Wärmeabfur.

Durch diese Ausfuhrung der Halbschalen werden Zutritt des Külhmediums, grossflächige Stromeinkopplung, Parallelschaltung der einzelnen Fohenpa- kete und mechanische Stabilität gleichermassen erfüllt. Die Pfeile in Figur 6 veranschaulichen den Durchsatz des Kühlmediums, entweder Luft oder Kühlflüssigkeit (Der besseren Übersichtlichkeit wegen wurden der flüssigkeitsdichten Gehäusemantel mit Zu- und Ablaufstutzen und entsprechenden flüssigkeitsdichten Kabeldurchführungen, sowie die Schlitze bzw. Perforierungen in der unteren Halbschale nicht skizziert.) Auch bei Luftkühlung erweist sich ein Gehäuse neben der Funktion als Berührschutz als vorteilhaft, da die Gehäusewände als Luftleitbleche die Kühlung verbessern.

Die Anordnung und Gestaltung der Stutzen zur Luftzufuhr sind für die erzielbare Kühlwirkung von massgeblicher Bedeutung. Weiters stabilisieren die Stirnseiten des Gehäuses zusätzlich das geschlitzte Innenrohr. Natürlich können auch mehrere, entsprechend parallelgeschaltete Halbschalenpaare nebeneinander vorgesehen werden.

Schliesslich kann die Wärmeabführ der Anordnung nach Figur 6 verbessert werden, wenn die Spulenpakete wie nach Figur 7 an mehreren Lagen durch jeweils einen oder mehrere Kühlstreifen (10) des (dünnwandigen) Folienmaterials untereinander verbunden werden, bzw. wenn diese Streifen axial aus den Folienpakete (9) hervorragen : diese Streifen werden im Zwischenraum der Spulenpakete vom Kühlmittel besser umströmt und vergrössern gleichzeitig die wirksame Kühlfläche. Zweckmässigerweise werden diese Streifen an den Stellen eingefügt, wo die Wärmeabfuhr problematisch ist, beispielsweise im Bereich (ra +r,)- /2. Selbstverstandlich erhöht die Anzahl dieser Kühlstreifen, beispielsweise zwischen jeder 10. und 11.

Der radiale Abstand zwischen den Streifen und die Flächendimensionen muss natürlich den Durchsatz des Kühlmediums ermöglichen. Lage ein Streifenpaar nach Figur 7, die Kühlwirkung. Die Kühlstreifen (10) müssen natürlich bereits beim Wickeln der Pakete eingebracht werden. Das gegebenenfalls nötige Fixieren dieser Streifen kann mittels Puntklebeverbindungen unter Verwendung schnell aushärtender Klebstoffe ohne wesentliche Verzögerung des Herstellagsprozesses erfolgen.

Diese Streifen dienen also der Wärmeabfuhr aus dem Inneren (bzw. der Mitte) der Folienpakete und unterscheiden sich neben der Zielsetzung auch hinsichtlich der Materialstärke von am Aussen-oder Innenradius angebrachten Vorrichtungen zur Parallelschaltung der Folienpakete oder zur Stromeinkopplung.

Im Zwischenraum der Spulenpakete können an die Kühlstreifen (10) zusätlich Temperaturfühler angebracht werden, wobei diese Sensoren gegenüber der Einwirkung des Kühlmediums zweckmässig abgeschirmt sein sollten. Weitere geeignete Anschlussstellen für solche Sensoren wären das metallische Innenrohr (1) und/oder die Halbschalen (8). Diese Sensoren können mit entsprechender interner oder externer Elektronik zur Regelung der Stromstärke, der Taktzeit- bzw. Frequenz oder zur Regelung der Durchflussmenge des Kühlmittels verwendet werden.

Die Erfindung findet beispielsweise Verwendung in Aufmagnetisierungsanlagen und allen anderen Anwendungen, wo starker Felder erzeugt werden sollen. Natürlich kann die vorgeschlagene Spule auch mit ferro- oder ferrimagnetischem Kern aufgebaut werden, sodass damit beispielsweise hochbelastbare Entstörbzw. Abschaltdrosseln mit allen oben erwähnten Vorteilen realisiert werden können.

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Claims

Patentansprüche 1. Gekühlte Fo) ienspu) e, insbesondere zur Erzeugung starker (Impuls-) Magnetfelder, mit mehreren elek- trisch parallel geschaltenen Folienwicklungspaketen, bestehend aus jeweils mehreren Lagen leitfähiger Folie mit zwischenliegenden Lagen dünner Isolierfolie, die in axialem Abstand zueinander auf ein axial geschlitztes, metallisches Innenrohr aufgebracht sind, wobei die elektrische Kontaktierung der innersten Folienlagen grossflächig über das geschlitzte Metallrohr erfolgt, das seinerseits mit einer elektrischen <Desc/Clms Page number 7> Zuführungsleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienpakete (9) an mindestens einer inneren Lage insbesondere im mittleren Radiusbereich der Folienpakete (9) durch jeweils einen oder mehrere Kühistreifen (10)

des Folienmaterials untereinander verbunden sind bzw. axial aus den Folienpakete herausragen.

2. Gekühlte Folienspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühistreifen (10) beim Wickelprozess eingebracht und gegebenenfalls mittels Klebstoff fixiert sind.

3. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienpakete zur elektrischen Parallelschaltung an ihren radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich des Hohlraums zwischen den Spulenpaketen geschlitzten oder gelochten Halbschalen (8) umfasst und über geeignete Isolierstücke (15, 16) zusammengespannt sind und dass mindestens eine Halbschale mit einer elektrischen Zuführungsleitung (14) verbunden ist.

4. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienspu- le von einem Gehäusemantel umfasst ist, der zusätzliche Strömungsleitbleche aufweist.

5. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuseman- tel flüssigkeitsdichte Kabelverschraubungen angebracht sind.

6. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum der Spulenpakete an die Streifen (10) Temperaturfühler angebracht sind und/oder dass (weitere) solche Sensoren am metallischen Innenrohr (1) bzw. an den Halbschalen (8) angebracht sind, deren Steuersi- gnal einer im Inneren des Spulengehäuses befindlichen oder einer externen Verarbeitungselektronik zugeführt ist.

7. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innersten Folienlagen direkt mit den elektrischen Zuführungsleitern kontaktiert sind, wobei die (radial) innersten Folienlagen auch jeweils mehrfach, gefalzt und unter den Folienpakete herausgeführt sind.

8. Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Kontaktie- rung der innersten Folienlagen mit dem Innenrohr (1) durch Punktschweissen, Nieten oder Löten, vorzugsweise am inneren Ende der Folienbahn erfolgt und die Stromzuführung zum Innenrohr (1) mittels Schellen (7) und Zuführungskabeln (4) oder durch unmittelbar angelötete bzw. angeschweisste Zuführungsleiter erfolgt, die gegebenenfalls wiederum zu Anschlussösen am Spulengehäuse geführt sind.

9. Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitzbereich des Innenrohres (1) mit einem Isolierstück (2), vorteilhafterweise in Gestalt eines 1-oder T-Profils, kühlmittel- dicht verschlossen ist.

10. Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlitzte Innenrohr (1) auf einem innenliegenden, dünnwandigen, durchgehenden Kunstoffrohr (3a) angebracht ist, wobei die Verbindung beider Rohrhülsen (1, 3) durch eine Klemmvorrichtung oder durch Klebung erfolgt.

11. Folierspule nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterfolie pulverbe- schichtet oder lackiert sind.

12. Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierfolie auf die Leiterfolie aufkaschiert ist.

13. Folienspule nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenvorrichtung über einen in sich geschlossenen magnetischen Kern bzw. über ein magnetisches Joch verfügt.

14. Folienspule nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienspule als Entstör- oder Abschaldossel verwendet wird <Desc/Clms Page number 8> 15. Gekühlte Folienspule, insbesondere zur Erzeugung starker (Impuls-) Magnetfelder, mit mehreren elek- trisch parallel geschaltenen Folienwicklungspaketen, bestehend aus jeweils mehreren Lagen leitfähiger Folie mit zwischenliegenden Lagen dünner Isolierfolie, die in axialem Abstand zueinander auf ein axial geschlitztes Metallrohr aufgebracht sind wobei die elektrische Kontaktierung der innersten Folienlagen grossflächig über das geschlitzte Metallrohr erfolgt, das seinerseits mit einer elektrischen Zuführungslei- tung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

dass die Folienpakete zur elektrischen Parallelschaltung an ihren radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich des Hohlraums zwischen den Spulenpaketen, geschlitzten oder gelochten Halbschalen (8) derart umfasst sind, dass eine grossflächige elektrische Kontaktierung mit homogener Stromverteilung an den äusseren Folienlagen erfolgt und dass mindestens eine Halbschale wiederum mit einer weiteren elektrischen Zuführungsleitung (14) verbun- den ist und dass die Halbschalen über geeignete Isolierstücke (15, 16) zusammengespannt sind.

EMI8.1 Magnetfelder,wícklungspaket, bestehend aus mehreren Lagen leitfähiger Folie mit zwischenliegenden Lagen dünner Isolierfolie, wobei die elektrische Kontaktierung der innersten Folienlagen grossflächig über ein geschiitz- tes Metallrohr erfolgt, das seinerseits mit einer elektrischen Zuführungsleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer inneren Lage des Folienpakete, vorzugsweise im mittleren Radiusbereich, jeweils ein oder mehrere Kühlstreifen (10) axial aus dem Folienpaket herausragen.

17. Gekühlte Folienspule nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (10) beim Pickelprozess eingebracht und gegebenenfalls mittels Klebstoff fixiert sind.

18. Gekühlte Folienspule nach denAnsprüchen 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienpa- ket an seinen radialen Aussenseiten von leitenden, zumindest im Bereich der (axialen) Enden, geschlitz- ten oder gelochten Halbschalen (8) umfasst und über geeignete Isolierstücke (15, 16) zusammenge- spannt und dass mindestens eine Halbschale mit einer elektrischen Zuführungsleitung (14) verbunden ist.

19. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienspule von einem Gehäusemantel umfasst ist, der zusätzliche Strömungsleitbleche aufweist.

20. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäusem- antel flussigkeitsdichte Kabelverschraubungen angebracht sind.

21. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an die an den Enden des Folienpakete herausragenden Streifen (10) Temperaturfühler angebracht sind und/oder dass (weitere) solche Sensoren am metallischen Innenrohr (1) bzw. an den Halbschalen (8) angebracht sind, deren Steuersignal einer im Inneren des Spulengehäuses befindlichen oder einer externen Verarbei- tungselektronik zugeführt wird.

22. Gekühlte Folienspule nach den Ansprüchen 16 und 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Enden herausragenden Kühistreifen (10) eine Wärmeabgabe mittels Konvektion bewirken.