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Gebiet der Erfindung
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In
zahlreichen elektrischen Bauteilen werden Wicklungen zur Realisierung
von elektromagnetischen Bauteilen verwendet. Durch den ohmschen Widerstand
der Wicklungen entsteht Wärme,
die insbesondere bei Hochleistungsbauteilen gezielt abgeführt werden
muss. Daher wird zwischen Wicklungen eines Wicklungsblocks ein Raum
eingeführt,
durch den Kühlluft
oder Kühlöl fließen kann,
um die in der Wicklung entstehende Wärme einer Wärmesenke durchzuführen.
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Die
Erfindung betrifft einen Abstandhalter, mit dem ein solcher Raum
ausgebildet werden kann und ist insbesondere für Transformatorenwicklungen geeignet.
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Stand der Technik
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Es
sind Hochleistungstransformatoren bekannt, die im Wesentlichen aus
einem magnetischen Kern und drei Wicklungsblöcken bestehen, wobei jeder
Block einer Phase eines Drehstromsystems zugeordnet ist und der
Kern die Wicklungsblöcke
magnetisch verbindet. Jeder Wicklungsblock dieses Transformators
umfasst eine Oberspannungswicklung und eine Unterspannungswicklung,
die zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind.
In dem zylindrischen Raum zwischen der Oberspannungswicklung und
der Unterspannungswicklung sind axial entlang der gesamten Wicklung
verlaufenden Leisten vorgesehen, die eine Länge aufweisen, die der Gesamthöhe des Wicklungsblocks entspricht.
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Die
dadurch erreichte Kühlungswirkung
ist jedoch besonders bei hoher Abwärme und hohen Außentemperaturen
nicht zufrieden stellend. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
eine verbesserte Kühlstruktur
vorzusehen.
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Abriss der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden
in einem für
Wicklungen vorgesehenen Abstandhalter, der zum räumlichen Trennen und Stabilisieren
von Wicklungsteilen verwendet wird, Stützelemente angeordnet, die
in Längsrichtung
der Wicklung mehrfach unterteilt sind. Dadurch wird zwischen den
zwei Oberflächen
des Abstandhalters, die als äußere Stützfläche dienen, ein
durchgängiges
Volumen begrenzt, durch das ein Kühlfluid, beispielsweise Luft
oder Öl,
fließen
kann. Die Kühlungsströmung kann
so nicht nur senkrecht zur Längsachse
der Wicklung fließen,
sondern kann auch in einer Richtung fließen, die quer zur Längsachse
verläuft,
und eine Richtungskomponente entlang der Umlaufrichtung der Wicklung
enthält.
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Ferner
kann so gegenüber
dem Stand der Technik hinsichtlich der Stützelemente Material gespart
werden, ohne die Stabilität
zu verringern. Dadurch wird gleichzeitig eine Gewichtsverringerung
erreicht. Zudem können
die Stützelemente
frei angeordnet werden, so dass die Stützwirkung gleichmäßiger um
den Umfang verteilt wird und somit die Stützelemente effektiver verwendet
werden.
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Erfindungsgemäß wird der
Abstandshalter aus zwei Platten gebildet, wobei jede der Platten
eine der ersten und zweiten Oberfläche ausbildet, die zur Stützung der
Wicklungen verwendet werden. Obwohl sich der erfindungsgemäße Abstandhalter
auch für andere
Wicklungsstrukturen eignet, wird im Folgenden vor allem auf Wicklungen
Bezug genommen, die die Form einer Säule haben und als Zylinder
beziehungsweise Hohlzylinder ausgebildet sind. Der Zylinder kann
hierbei ein Kreiszylinder sein oder einen anderen Querschnitt aufweisen,
beispielsweise einen elliptischen, rechteckigen oder im Wesentlichen
quadratischen Querschnitt. In Kombination mit einer solchen Wicklungsstruktur
verläuft
der Abstandhalter beziehungsweise die erste und zweite Oberfläche, die
als äußere Stützfläche dient,
im Allgemeinen in Umlaufrichtung der Wicklung bezie hungsweise eines lokalen
Abschnitts mit einem bestimmten Abstand zur Längsachse der Wicklung.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
der Abstandshalter aus einem Zylinder, der als Zylinder vorher hergestellt
ist, und einer Platte gebildet sein, wobei der Zylinder innen oder
außen
vorgesehen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Abstandhalter eine erste Schicht und eine zweite Schicht,
die jeweils eine der ersten und zweiten Oberflächen bilden, die zur Stützung der
Wicklungen vorgesehen sind, wobei die Schichten eine starre zylindrische
Form aufweisen, die der Außenfläche eines
inneren Wicklungsabschnitts beziehungsweise der Innenfläche eines äußeren Wicklungsabschnittes im
Wesentlichen entsprechen.
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Bei
der Herstellung eines elektrischen Bauteils mit einer Wicklung,
die einen erfindungsgemäßen Abstandhalter
aufweist, wird so, beginnend in der Mitte der Wicklung, die Wicklung
durch Aufwickeln eines Leiters gebildet. Wird dann ein bestimmter
Radialabstand erreicht, kann der erfindungsgemäße starre Abstandhalter eingefügt werden,
der sich so an einen inneren Wicklungsabschnitt anschließt. Daraufhin
wird die Wicklung an der zweiten Oberfläche des Abstandhalters, das
heißt
der Außenfläche des
Abstandhalters, mit dem äußeren Wicklungsabschnitt
beziehungsweise einer weiteren Wicklung des selben Wicklungsblocks
der Wicklung fortgeführt,
die sich somit direkt an die Außenfläche, das
heißt
an die zweite Oberfläche
des Abstandhalters, anfügt.
Durch die starre Form des Abstandhalters wird eine hohe Festigkeit
erreicht, jedoch zu Lasten einer geringeren Flexibilität hinsichtlich
der Anordnung im Wicklungsblock, die sich durch die vorgegebene
Geometrie der inneren und äußeren Wicklungsabschnitte
ergibt. Durch die starre Form der ersten und zweiten Schicht sind
jedoch weniger Stützelemente
erforderlich, um die gleiche Stützwirkung
zu erhalten.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird eine der jeweils ersten und zweiten Oberfläche durch
jeweils eine der ersten und zweiten Schichten gebildet, wobei die
Schichten biegbare Platten umfassen. Die Platten sind vorzugsweise
in der späteren
Umlaufrichtung der Wicklungsabschnitte biegsam, um den Oberflächen der
Wicklungen zu entsprechen. Werden beispielsweise kreiszylindrische
innere und äußere Wicklungsabschnitte
verwendet, zwischen denen der erfindungsgemäße Abstandhalter einzubringen
ist, so genügt
eine Biegsamkeit der Platten in radialer Richtung mit einem Krümmungsradius,
der der Krümmung
der Außenfläche des
inneren Wicklungsabschnitts entspricht. Dies kann erreicht werden,
indem biegsame Materialien verwendet werden.
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Alternativ
oder in Kombination hierzu können flexible
beziehungsweise biegsame Abschnitte, beispielsweise Scharnierstücke, zwischen
Abschnitten mit höherer
Festigkeit verwendet werden, so dass der Abstandhalter in der Wicklung
einen polygonalen Querschnitt aufweist. In einer Ausführungsform,
in der biegbare Platten oder Schichten verwendet werden, kann der
Abstandhalter in einer ebenen Fläche oder
gemäß seinem
maximalen Krümmungsradius aufgewickelt
hergestellt werden. Bei derartigen Abstandhaltern kann die erste
Oberfläche
beziehungsweise die zweite Oberfläche zur Stützung des inneren Wicklungsabschnitts
oder zur Stützung
des äußeren Wicklungsabschnitts
vorgesehen werden, wobei sich diese Zuordnung erst bei dem Einfügen des Abstandhalters
in die Wicklung ergibt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung werden unter Verwendung von biegbaren Platten
die erste und die zweite Oberfläche
ausgebildet, die jeweils zwei Außenkanten aufweisen. Diese
Außenkanten verlaufen
nach Fertigstellung der Leiterwicklung umfänglich und können einen
obere und untere Kante ausbilden. Erfindungsgemäß sind die Stützelemente hierbei
in einer Richtung von einer unteren Kante zu einer oberen Kante
verteilt und von dem Volumen unterbrochen, das von den Platten eingeschlossen wird.
In einer Ausführungsform
liegt eine Außenkante der
ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche in einer Kopffläche der
Wicklung, wenn sie in die Wicklung eingebracht wurde und die zweite
liegt in der Bodenfläche
der Wicklung, wobei sich die Platten durchgängig von der einen Außenkante
zu der anderen erstrecken.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der Abstandhalter eine Breite auf, die durch den Abstand zweier
Außenkanten
der gleichen Oberfläche
gebildet wird, die nur einem Teil der Höhe der Leiterwicklung entspricht.
Ist der Abstandhalter als starres Rohr ausgebildet, so sind beispielsweise
mehrere übereinander
geschichtete axial aneinander stoßende Röhren notwendig, deren Gesamthöhe der Höhe, das heißt der Längsaus dehnung
der Leiterwicklung entspricht. In gleicher Weise kann bei der Ausführung des
Abstandhalters in zumindest abschnittsweise biegbaren Platten der
Abstandhalter eine Breite aufweisen, die nur einem Teil der Gesamthöhe der Wicklung
entspricht. Beispielsweise hat der Abstandhalter die Form eines
Bands, das so biegsam ist, dass es aufgewickelt werden kann. In
diesem Fall wird der Abstandhalter beim Wickeln in die Wicklung
eingebracht, indem dieser wie ein Leiterband oder Leiter spiralförmig auf
die Wicklung aufgewickelt wird. Bei einer solchen spiralförmigen Anordnung
des Abstandhalters stößt eine
Windung des Abstandhalters direkt oder mit geringem Abstand an die
darauffolgende Windung des Abstandhalters an.
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In
einer weiteren Ausführungsform
bilden biegsame Schichten die erste und zweite Oberfläche des
Abstandhalters, wobei die Höhe
der Wicklung einem ganzzahligen Vielfachen der Breite der Schichten
entspricht. Vorzugsweise werden mehrere zylindrisch angeordnete
Doppelschichtbänder
verwendet, die aufeinandergestapelt sind und derart aneinandergereiht
sind, dass sie in ihrer Summe der Längsabmessung der Wicklung entsprechen.
Die einzelnen Abstandhalterelemente bilden dann eine Reihe flexibler,
aneinanderstoßender
Teilzylinder, deren Außenkanten
senkrecht zur Längsachse
der Wicklung verlaufen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die erste und zweite Oberfläche
jeweils durchgängig
ausgebildet. Alternativ können
die erste und zweite Oberfläche
aus mehreren Abschnitten bestehen, die umfänglich und/oder entlang der
Längsachse
der Wicklungen aneinanderstoßen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Stützelemente
zwischen den Oberflächen
in umfänglicher
Richtung und entlang der Längsachse
der Wicklung zwischen der ersten und zweiten Oberfläche gleichmäßig verteilt,
so dass ein beliebiges Stützelement
mit dem gleichen Abstand zu allen zu diesem benachbarten Stützelementen
angeordnet ist.
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Das
Stützelement
wird mittels Kraftschluss, Formschluss und/oder Stoffschluss direkt
mit den Elementen, beispielsweise starren Rohren oder biegsamen
Platten beziehungsweise starre oder flexible Schichten verbunden,
die die erste beziehungsweise zweite Oberfläche ausbilden. Beispiele für mögliche Verbindungsarten
sind Keil-, Klemm- oder Schraubverbindungen. Weitere Beispiele sind
Schnappverbindungen, Nieten, Verstiften beziehungsweise Löten, Schweißen, Kleben
oder Vulkanisieren. Insbesondere bei der Verwendung von Keil-, Schraub-, Niet-
oder Lötverbindungen
ist darauf zu achten, dass die erste Oberfläche elektrisch von der zweiten Oberfläche isoliert
ist. Vorzugsweise werden ausschließlich elektrisch isolierende
Materialien verwendet. Bei der Verwendung von Metallelementen ist darauf
zu achten, dass diese nicht radial durchgängig sind und dass Mindestabstände in radialer
Richtung vorgesehen werden, die Durchschläge vermeiden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich jedes Stützelement
an dem Ort, an dem es mit der ersten beziehungsweise zweite Oberfläche verbunden
ist, senkrecht zu der ersten beziehungsweise zweiten Oberfläche an diesem
Ort.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden
Stützelemente
mit der gleichen Länge,
Querschnittsform und/oder gleichen Querschnittsflächen verwendet.
Falls die erste Oberfläche
eine andere Krümmungsform
aufweist als die zweite Oberfläche, wenn
der Abstandhalter in der Wicklung vorgesehen ist, können auch
verschiedene Längen
zum Darstellen der Krümmung
beziehungsweise des Krümmungsunterschiedes
verwendet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erste
Oberfläche
an eine Innenwicklung angrenzt, deren Form quadratische Komponenten
hat, beispielsweise bei dünnen Wicklungen
um einen rechteckigen Kern, und wenn die äußere Wicklung, die an die zweite
Oberfläche angrenzt,
eine kreisförmige
Form aufweisen soll.
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Die
Stützelemente
können
einen elliptischen, kreisförmigen,
rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Auf diese
Weise können
diese unter Verwendung eines langen Stabs hergestellt werden, der
an gleichmäßig beabstandeten Stellen
getrennt beziehungsweise unterbrochen wird, beispielsweise durch
Schneien. Die Querschnittsform des langen Stabs entspricht dann
dem Querschnitt des Stützelements.
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Vorzugsweise
wird der Abstandhalter mittels zweier Platten oder koaxialer Rohre
hergestellt, zwischen denen die Stützelemente vorgesehen sind. Die
zur Stützung
verwendete erste und zweite Oberfläche wird dann durch die Außenfläche der
Rohre bezie hungsweise Platten gebildet, die von den Stützelementen
wegweist, welche zwischen den Rohren beziehungsweise Platten befestigt
sind. Die Innenflächen
der Rohre beziehungsweise Platten, welche zu den Stützelementen
hingewandt sind, definieren zusammen mit der Umlauffläche der
Stützelemente
das Volumen, welches erfindungsgemäß durchgängig ist und ungehinderte Fluidströmungen in
Richtungen erlaubt, die zu den Außenkanten der Platten geneigt sind.
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Vorzugsweise
wird zur Herstellung des Abstandhalters, insbesondere der Stützelemente und/oder
der Schichten, das heißt
Rohre beziehungsweise Platten ein isolierender Werkstoff verwendet,
beispielsweise Kunststoff, Keramik, kunstharzgetränktes Fasergewebe,
Pertinax oder eine Kombination und/oder Materialmischung hiervon. Vorzugsweise
weist das Material der Stützelemente und/oder
der Schichten, die die erste oder zweite Oberfläche bilden, eine Elastizität auf, die
eine geeignete Kraft auf die Wicklungsabschnitte ausübt, wenn der
Abstandhalter in der Wicklung eingesetzt ist. Beispielsweise können die
Stützelemente
aus Kunststoff, kunstharzgetränktem
Glasfasergewebe oder Kautschuk zumindest abschnittsweise hergestellt sein,
so dass jedes Element zumindest einen Abschnitt umfasst, der eine
Federwirkung aufweist. Ferner können
die flexiblen Schichten aus einer isolierenden Matte ausgebildet
sein, beispielsweise aus einer Kunststoffmatte.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Bauteil vorgesehen, das
zwei Wicklungsabschnitte umfasst, die körperlich durch einen erfindungsgemäßen Abstandhalter
getrennt sind. Dadurch kann die zwischen den Wicklungsabschnitten
entstehende Wärme
verbessert abgeführt
werden, insbesondere durch Konvektionsströmungen, die geneigt zur Längsachse
der Wicklungsabschnitte verlaufen.
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Das
elektrische Bauteil kann beispielsweise ein elektrischer Transformator
sein, der eine Leistung von 100 kVA bis 100000 kVA, 200 kVA bis
50000 kVA oder 250 kVA bis 4000 kVA aufweist und aus drei Wicklungsblöcken gebildet
ist, die jeweils einer Phase eines Drehstromsystems zugeordnet sind.
Jeder dieser drei Wicklungsblöcke
umfasst einen inneren Wicklungsabschnitt, der der Unterspannungsseite zugeordnet
ist, und einen äußeren Wicklungsabschnitt,
der der Oberspannungsseite zugeordnet ist. Die Unterspannungsseite
ist für
eine Betriebsspannung von 230 V, 380 V oder 1 kV vorge sehen, während die
Oberspannungsseite für
Spannungen von mindestens 1 kV, beispielsweise mindestens 10 kV oder
mindestens 20 kV vorgesehen ist. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit,
dass die Betriebsspannung der Unterspannungsseite größer als
1 kV und die der Oberspannungsseite kleiner als 1 kV ist.
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Der
erfindungsgemäße Abstandhalter
ist koaxial zu der Längsachse
jedes Wicklungsblocks vorgesehen und zwischen dem inneren Wicklungsabschnitt
und dem äußeren Wicklungsabschnitt
vollumfänglich
angeordnet. Der Abstandhalter dient zum Einen de Stabilität des Wicklungsblocks
und der mechanischen Verbindung zwischen der Oberspannungsseite
und der Unterspannungsseite. Zum Anderen bildet der Abstandhalter
ein Volumen aus, durch das Kühlfluid
strömen
kann, um die in der Oberspannungsseite und Unterspannungsseite entstehende
Wärme abführen zu
können.
Aus diesem Grund wird vorzugsweise zum Ausbilden der ersten und
zweiten Oberfläche
ein Material verwendet, das eine hohe Wärmeleiffähigkeit aufweist.
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In
dem Zwischenraum, den der Abstandhalter ausbildet, können Temperatursensoren
und/oder Sensoren zur Messung des elektrischen oder magnetischen
Feldes vorgesehen und befestigt sein. Zudem können Leiter durch die erste
und/oder zweite Oberfläche
hindurch treten, um ein Kontaktieren oder Anzapfen der Wicklungsabschnitte
zu ermöglichen. Diese
Durchkontaktierungen werden vorzugsweise mit einem kleinen Querschnitt,
beispielsweise kleiner als 5 cm2 oder kleiner
als 1 cm2, vorgesehen der die erste beziehungsweise
zweite Oberfläche
nicht wesentlich unterbricht und so die mechanische Stabilität an der
Kontaktstelle nicht wesentlich beeinträchtigt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Abstandhalter zwischen der Innenseite des Wicklungsblocks
und dem Kern vorgesehen, der von dem Wicklungsblock umgeben ist.
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Vorzugsweise
sind die zur Darstellung des Abstandhalters verwendeten Materialien
zumindest teilweise selbstlöschend
und setzen bei Brand keine Gase frei.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sind den weiteren
Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Anhand
der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung, vorteilhafte
Weiterbildungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Abstandhalter
in perspektivischer Ansicht,
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2 eine
Abschnitt eines biegsamen Abstandhalters,
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3 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abstandhalter in einer
Ebene senkrecht zur Längsachse
des Abstandhalters und
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4 einen
Querschnitt durch eine biegsamen Abstandhalter in einer Ebene senkrecht
zur ersten beziehungsweise zweiten Oberfläche.
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Beschreibung der Figuren
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Die 1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Abstandhalter
in perspektivischer Ansicht. Der Abstandhalter umfasst eine erste
Oberfläche
(10) und eine zweite Oberfläche (20). Der Abstandhalter
weist eine kreiszylindrische Form auf, so dass die erste Oberfläche (10)
die Innenfläche
bildet, welche zur Stützung
eines inneren Wicklungsabschnittes (nicht dargestellt) dient, wohingegen
die zweite Oberfläche (20)
des Abstandhalters zur Stützung
eines äußeren Wicklungsabschnitts
vorgesehen ist.
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Die
erste Oberfläche
weist eine obere Außenkante
(12a) und eine untere Außenkante (12b) auf.
In gleicher Weise weist die zweite Oberfläche (20) eine obere
Außenkante
(22a) und eine untere Außenkante (22b) auf.
Die Außenkanten
sind kreisförmig
in sich geschlossen und parallel zueinander. Zwischen der ersten
Oberfläche
und der zweiten Oberfläche
ist ein Volumen (30) vorgesehen, das für durchgängige Kühlfluidströmungen vorgesehen ist. Zur
Abstützung
der ersten Oberfläche
zu der zweiten Oberfläche
dienen Stützelemente
(40a–g),
die als einzelne, sich radial erstreckende Elemente ausgebildet
sind. Dadurch bilden die Stützelemente
zwischen einer oberen Außenkante
(12a), (22a) und einer unteren Außenkante
(12b), (22b) keine durchgehende Fläche sondern
werden mehrfach von dem Volumen (30) unterbrochen. Auf
Grund dessen sind Konvektionsströmungen
entlang des Umfangs des Abstandhalters möglich.
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In
der 1 sind lediglich die erste und zweite Oberfläche dargestellt,
nicht jedoch der Körper,
der diese Oberflächen
ausbildet. Die dünnen
Linien stellen Konturen dar. Vorzugsweise werden zwei Schichten
verwendet, die zylindrisch und koaxial zueinander angeordnet sind,
wobei die in radialer Richtung außen liegende Oberfläche der äußeren Schicht
die zweite Oberfläche
bildet und die radial innen liegende Oberfläche der inneren Schicht die
erste Oberfläche bildet.
Die radial nach außen
weisende Fläche
der inneren Schicht und die radial nach innen weisende Oberfläche der äußeren Schicht
bilden Begrenzungsebenen des zwischen den Schichten liegenden Volumens.
Gleichzeitig werden die zu dem inneren Volumen angrenzenden Oberflächen der
Schichten zur unmittelbaren Befestigung der Stützelemente verwendet, so dass
jeweils eine der beiden Kopfflächen
eines zylindrischen Stützelements
direkt an die zum Volumen angrenzenden Oberflächen der Schichten anstößt und mit
dieser befestigt ist. Die unmittelbare Befestigung kann alternativ
eine Befestigung mittels federnder, isolierender und/oder starrer Elemente
sein.
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Die
Schichten können
entweder starre Rohre oder biegsame Platten sein, wobei die 1 den
bereits gekrümmten
Zustand des Abstandhalters darstellt, der im Falle von flexiblen
beziehungsweise biegsamen Schichten sich eben erstrecken kann oder
zur Lagerung spiralförmig
aufgewickelt sein kann, bevor dieser in die Leiterwicklung eingebracht wird.
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Die 2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines biegsamen beziehungsweise flexiblen
Abstandhalters aus biegsamen Platten. Der Abstandhalter in der 2 erstreckt
sich entlang einer Ebene und kann so einfach hergestellt werden, wobei
die Schichten, welche die erste beziehungsweise zweite Oberfläche bilden,
zum Einbringen des Abstandhalters in eine Leiterwicklung beziehungsweise
zwischen zwei Wicklungsabschnitte gebogen werden müssen, beispielsweise
durch Aufwickeln auf den bestehenden Wicklungsabschnitt.
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Wie
in 1 sind auch in 2 nur die
erste und die zweite Oberfläche
dargestellt, die durch jeweilige erste und zweite Schichten gebildet
werden, welche wiederum nicht dargestellt sind. Vielmehr sind nur
einige der Konturen oder Schichten dargestellt. Die erste und zweite
Oberfläche
sind beispielsweise die Innenfläche
von biegsamen Schichten, die zu den dazwischen liegenden Stützelementen
angrenzen.
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Der
Abstandhalter von 2 erstreckt sich bandförmig und
weist zwei obere Außenkanten (112a),
(122a) sowie zwei untere Außenkanten (112b),
(122b) auf. Diese Außenkanten
begrenzen die erste und zweite Oberfläche, welche wiederum das dazwischen
liegende Volumen (130) begrenzen, vorzugsweise in radialer
Richtung. Die Stützelemente
(140a–e),
welche die erste Oberfläche
von der zweiten trennen, sind Zylinder, deren Längsachse senkrecht zu der ersten
und zweiten Oberfläche
in einer Richtung R verläuft.
Jedes Stützelement
ist von dem benachbarten Stützelement
in einer Richtung beabstandet, die eine Komponente parallel zum
Verlauf der Außenkanten
aufweist. Mit anderen Worten erstreckt sich das Volumen (130)
um jedes Stützelement
herum, so dass eine durch das Volumen (130) führende Fluidströmung S in
jede Richtung führen kann.
Die Fluidströmungen
verlaufen im Wesentlichen parallel zur ersten und zweiten Oberfläche.
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Der
in 2 als Band dargestellte Abstandhalter ist in die
Richtung senkrecht zu den Außenkanten,
das heißt
in radialer Richtung und senkrecht zu der ersten und zweiten Oberfläche biegsam,
und kann so als in sich geschlossener Körper ausgebildet werden, wobei
ein Ende des Bands an das andere Ende des Bands angrenzt.
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Auf
diese Weise lässt
sich aus dem in 2 dargestellten Band der zylindrische
Abstandhalter ausformen.
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In
der 3 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Abstandhalters
dargestellt, der entlang einer Ebene senkrecht zur Längsachse
des Abstandhalters verläuft.
Der in 3 dargestellte Abstandhalter ist zylindrisch und
weist eine erste Schicht (114) und eine zweite Schicht
(224) auf. Die Schichten bilden koaxiale Zylinder, wobei
die erste Schicht (214) einen inneren Zylinder und die
zweite Schicht (224) einen äußeren Zylinder bildet. Die
nach innen weisende Oberfläche
der ersten Schicht (214) bildet die erste Oberfläche zum
Stützen
eines inneren Wicklungsabschnitts (nicht dargestellt) und die radial
nach außen
weisende Fläche
der Schicht (224) bildet die zweite Oberfläche zur
Stützung
eines äußeren Wicklungsabschnitts
(nicht dargestellt).
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Die
Außenfläche der
ersten Schicht (214), die der ersten Oberfläche gegenüberliegt,
bildet zusammen mit der Innenfläche
der zweiten Schicht (224), welche der zweiten Oberfläche (220)
gegenüberliegt,
das Volumen (230) aus, das von den zwei Schichten eingeschlossen
wird. In diesem Volumen sind Stützelemente
(240) angebracht, die die innere Schicht (214)
gegenüber
der äußeren Schicht
(224) stützen
und ferner Konvektionsströmungen
durch das Volumen in einer beliebigen Umlaufrichtung ermöglichen.
Dadurch kann Wärme,
die durch die erste Schicht (210) aus dem Innenraum (270)
des Abstandhalters in das Volumen (230) tritt, abgeführt werden.
In gleicher Weise kann Wärme,
die aus dem Außenraum
(280), beispielsweise aus einer umgebenden Wicklung in
das Volumen (230) tritt, abgeführt werden.
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Der
Abstandhalter von 3 kann durch entlang einer Ebene
verlaufende Schichten (214, 224) ausgebildet werden,
die daraufhin in Kreisform gebogen werden. Die jeweiligen Enden
der Schichten (224, 214) stoßen an eine Kontaktstelle (216, 226) und
werden an dieser Stelle vorzugsweise miteinander verbunden. Die
Verbindung kann einen Kraftschluss, Formschluss oder Stoffschluss
umfassen, insbesondere Schrauben, Klemmen, Nieten, Verstiften, Löten, Schweißen, Kleben
oder Verbinden mittels einer Schnappverbindung.
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Die
Stützelemente
(240) sind vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang verteilt
beziehungsweise sind gleichmäßig in einer
zu den Außenkanten
parallelen Richtung zueinander beabstandet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Schichten (214, 224) ohne Kontaktstelle
bereits einteilig ausgebildet, beispielsweise mittels eines nahtlosen
Rohrbild ungsverfahrens. In einer weiteren Ausführung sind die Schichten in
einer Richtung senkrecht zur ersten beziehungsweise zweiten Oberfläche flexibel
oder zumindest abschnittsweise flexibel, um eine in sich geschlossene
Krümmung
ausführen
zu können.
Gemäß einer
weiteren Ausführung sind
die Schichten nur in eine Radialrichtung flexibel, das heißt zur Mittelachse
hin und können
nicht nach außen
gebogen werden.
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Die 4 zeigt
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abstandhalter, der aus biegsamen
Schichten ausgebildet ist. Der in 4 dargestellte
Abstandhalter verläuft
entlang einer Ebene und wird vor oder während des Einfügens in einer
Leiterwicklung gebogen.
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Der
Abstandhalter umfasst eine erste Oberfläche (310) und eine
zweite Oberfläche
(320). Zwischen den Schichten (314, 324)
sind Stützelemente mit
gleichem Abstand zueinander angeordnet, die den gleichen Querschnitt
und die gleiche Länge
aufweisen. Die Stützelemente
sind mit der ersten Schicht (314) und der zweiten Schicht
(324) fest verbunden und stellen so den konstanten Abstand
zwischen der ersten Oberfläche
(310) und der zweiten Oberfläche (320) beziehungsweise
zwischen der ersten und zweiten Schicht (314, 324)
sicher. Vorzugsweise sind die Stützelemente
auf die Schichten aufgeklebt. Zwischen den Stützelementen und der ersten
und zweiten Schicht (314, 324) wird ein Volumen (330)
definiert, durch das zu Kühlungszwecken
eine Fluidströmung
geleitet werden kann. Die erste und zweite Oberfläche (310, 320)
sind zum Abstützen
einer inneren Wicklung beziehungsweise einer äußeren Wicklung vorgesehen.
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Um
diesen Stützeffekt
zu erreichen, wird zunächst
eine innere Wicklung beziehungsweise ei innerer Wicklungsabschnitt
um einen Kern oder eine Halterung gewickelt. Daraufhin wird beispielsweise der
in 4 dargestellte Abstandhalter um den inneren Wicklungsabschnitt
gewickelt, so dass dieser die innere Wicklung genau einmal umläuft. Wird
der Abstandhalter derart um eine innere Wicklung geschlagen, die
beispielsweise eine zylindrische oder kreiszylindrische Form aufweist,
so sind die Stirnflächen (318a, 328a)
der Schichten (314, 324) nahe den gegenüberliegenden
Stirnflächen
(318b, 328b) der Schichten angeordnet oder stoßen zumindest
teilweise direkt aneinander. Beispielsweise kann an einem der Stirnenden
eine Lasche vorgesehen werden, die entlang einer Oberfläche der
Schichten (314, 324) verläuft, und die sich mit einem
Teil der Schichten an dem entgegengesetzten Ende zumindest teilweise überlappt, wenn
der Abstandhalter um den inneren Wicklungsabschnitt herum gebogen
ist. Diese Laschen können
zur Befestigung verwendet werden. Zudem können weitere Befestigungselemente
an den Stirnenden (318, 328) oder an einem oder
zwei Enden einer der Schichten oder beider Schichten angebracht
sein, um den Abstandhalter, der einen inneren Wicklungsabschnitt
umgreift, zu befestigen.
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Vorzugsweise
sind die Befestigungselemente vorgesehen, den Abstandhalter mit
einer gewissen Zugspannung zu beaufschlagen, beispielsweise durch
Federwirkung von Befestigungselementen oder der Schicht, umso eine
Reibkraft zwischen der ersten oder zweite Oberfläche und der jeweiligen Wicklungsabschnitte
zu erreichen. In einer Ausführung
wird berücksichtigt,
dass die zweite Oberfläche durch
den Abstand zwischen der zweiten und der ersten Oberfläche einen
größeren Umfang
aufweist, wenn der Abstandhalter um eine innere Wicklung gewickelt
ist. Ferner können
die Schichten (314, 324) verschiedene Längen aufweisen,
so dass die Oberfläche
(310) eine Länge
hat, die im Wesentlichen dem Umfang der inneren Wicklung entspricht
oder geringfügig
kleiner als der Umfang der inneren Wicklung ist, und die zweite
Oberfläche
(320) eine Länge aufweist,
die der Länge
der äußeren Wicklung
entspricht.
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Der
in 4 dargestellte Abstandhalter umfasst zwei flexible
Schichten (314, 324) und hat einen Abschnitt (350),
der eine geringere Flexibilität
als ein weiterer Abschnitt (360) aufweist. In dem Abschnitt (360)
sind weniger oder keine Stützelemente
vorgesehen, so dass lediglich die Flexibilität der Schichten (314, 324)
für die
Biegsamkeit des Abstandhalters eine Rolle spielt. Hingegen im Abschnitt
(350) weist de Abstandhalter nur eine geringe, eine kleinere
oder keine Flexibilität
auf, wobei in diesem Abschnitt einige Stützelemente vorgesehen sind.
Da die Gesamtflexibilität
in dem Abschnitt (350) auch durch die Stützelemente
bestimmt wird, die auf Grund ihrer Dicke eine deutlich höhere Stabilität beziehungsweise
Federwirkung aufweisen, ist die Biegsamkeit des Abschnittes (250)
geringer als die Biegsamkeit im Abschnitt (360). Wird der
Abstandhalter um eine zylindrische Innenwicklung gelegt, so weist
der Abschnitt (350) einen größeren Krümmungsradius als der Abschnitt
(360) auf, wodurch sich ein polygonähnlicher, jedoch im Wesentlichen
runder Verlauf des Abstandhalters ergibt.
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In
dem Volumen (330) kann ein Freiraum vorgesehen sein, wobei
jedoch auch abschnittsweise oder vollständig Gewebe und/oder Strömungsführungselemente
einge bracht sein können,
die eine Fluidströmung
ermöglichen
und zumindest abschnittsweise führen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist die erste Oberfläche an jeder Stelle den gleichen
Abstand zu der zweiten Oberfläche
auf. In einer weiteren Ausführung
variiert der Abstand, ist jedoch an jeder Stelle größer als
ein Minimalabstand und/oder kleiner als ein Maximalabstand. Durch
die periodische Anordnung der Stützelemente
entlang des Umfangs können
sich periodische Schwankungen des Abstands zwischen der ersten und
der zweiten Oberfläche
ergeben. Ferner können
die Stützelemente auch
entlang der Längsachse
des Abstandhalters, das heißt
in einer Richtung senkrecht zu dem Verlauf der Außenkanten
beziehungsweise in axialer Richtung periodisch verteilt sein.
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Der
Abstandhalter kann in der Form eines Kühlkanalzylinders ausgebildet
sein, wobei die Kühlkanäle durch
das Volumen zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche ausgebildet
werden oder in diesem vorgesehen sind. Die Außenkante der ersten Oberfläche können zueinander
parallel sein, wobei auch die Außenkanten de zweiten Oberfläche vorzugsweise
parallel zueinander sind. Die zwei Außenkanten der ersten Oberfläche weisen
vorzugsweise den gleichen radialen Abstand zu einer Längsachse des
Abstandhalters auf und sind zueinander in axialer Richtung versetzt.
In gleicher Weise sind die zwei Außenkanten der zweiten Oberfläche zueinander
in axialer Richtung versetzt und mit dem glichen Radius zur Längsachse
des Abstandshalters beziehungsweise der Leiterwicklung angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
verläuft
eine Außenkante
der ersten Oberfläche,
beispielsweise die obere, in der axialen Höhe wie eine Außenkante
der zweite Oberfläche,
wobei die Austritte der zweiten Oberfläche einen größeren radialen
Abstand zu der Längsachse
des Abstandhalters aufweisen als die gegenüberliegende Außenkante
der ersten Oberfläche.
Die Außenkanten
bilden vorzugsweise eine größtenteils
oder vollständig
geschlossene Kurve, beispielsweise eine Kreiskurve, eine Ellipse
oder eine andere geometrische Form mit mindestens einer Symmetrieachse.
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Die
zweite Oberfläche
kann an eine umlaufen Isolationsschicht angrenzen, die ein Aufbiegen des
Abstandhalters durch die Federkraft von flexiblen Schichten, die
die erste und zweite Oberfläche
des Abstandhalters bilden, verhindert. Alternativ kann auch eine umlaufende
Isolationsschicht in Kombination mit anderen Befestigungselementen
verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Abstandhalter zwei halbzylindrische gleich große Teile,
die sich zu einem zylindrischen Rohr ergänzen, wenn sie zusammengefügt sind.
Jeder Teil überstreicht
vorzugsweise einen halben Umfang des Abstandhalters. Die Teile können aus
starren oder nur in geringem Maße
flexiblen Schichten ausgebildet sein, deren radiale Federwirkung
zur Befestigung an einem inneren Wicklungsabschnitt dient, indem
die Teile um die innere Wicklung mit radialer Klemmkraft geklemmt
werden können.
Alternativ oder in Kombination hierzu können Befestigungselemente verwendet
werden, die die beiden Teile miteinander mechanisch verbinden, beispielsweise
die oben aufgeführten
Elemente zur Befestigung flexibler Schichten.
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Die
Stützelemente
können
als Vollzylinder oder als Hohlzylinder mit einer Wandstärke ausgebildet
sein, die der Verteilung der Stützelemente
auf der ersten beziehungsweise zweiten Oberfläche angepasst ist und die erforderliche
Stabilität
bietet.
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- 10,
210, 310
- erste
Oberfläche
- 20,
220, 320
- zweite
Oberfläche
- 12,
22, 112, 122
- Aussenkante
- 214,
224, 314, 324
- erste,
zweite Schicht
- 216,
226
- Kontaktstelle
- 30,
130, 230, 330
- Volumen
- 40,
140, 240
- Stützelement
- 270
- Innenraum
- 280
- Außenraum
- 318,
328
- Stirnfläche
- R
- Verlaufsrichtung
der Stützelemente
- S
- Richtung
der Fluidströmung