DE102007063413A1

DE102007063413A1 - Elektrische Spule, insbesondere Transformator- und Drosselspule, und Auslöser für einen Leistungsschalter mit einer entsprechenden Spule

Info

Publication number: DE102007063413A1
Application number: DE102007063413A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Wirtsch.Ing. Cordes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule, insbesondere Transformator- und Drosselspule, und einen Leistungsschalterauslöser mit einer entsprechenden Spule (1, 5, 8), insbesondere einer Transformator- und Drosselspule, die mindestens eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Windung (2, 6) aufweist und zur Erzeugung eines durch die mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses von einem Strom durchflossen wird und umgekehrt mittels eines die durch mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses einem Strom erzeugt. Um eine Spule mit großer Induktivität bei kleinem Volumen und Materialeinsatz zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der elektrische Leiter der Spule (1, 5, 8) zumindest teilweise aus CNT gebildet oder ein CNT-aufweisender Verbundwerkstoff ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule, insbesondere Transformator- und Drosselspule, und einen Leistungsschalterauslöser mit einer entsprechenden Spule gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Elektrische Spulen sind allgemein bekannt, insbesondere als Transformator- und Drosselspulen. Sie weisen üblicherweise mehrere Windungen aus einem elektrischen Leiter auf. Fließt durch die Spule ein sich zeitlich ändernder elektrischer Strom, so wird im Spuleninneren jeweils ein magnetischer Fluss erzeugt. Umgekehrt kann ein sich zeitlich ändernder magnetischer Fluss einen elektrischen Strom in der Spule erzeugen.
Auslöser für Leistungsschalter, sogenannte Maglatch, bewegen einen ferromagnetischen Stößel, der von einem Magnetfeld eines Permanentmagneten entgegen einer Federkraft gehalten wird. Die Feder dient dabei gleichzeitig als Energiespeicher. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromwerts erfolgt eine Auslösung des Leistungsschalters, wobei von einer Spule ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches das Magnetfeld des Permanentmagneten im Bereich des Stößels kompensiert. Dadurch wird der Stößel unter Freisetzung der in der Feder gespeicherten Energie in Richtung seiner Längsachse verschoben, wobei der Leistungsschalter ausgelöst wird.
Die Spulen sind häufig ein auf einem Spulenkörper gewickelter Kupferdraht. Sie weisen ein relativ hohes Gewicht und Volumen sowie einen hohen Materialeinsatz auf, insbesondere wegen der zur Erreichung der gewünschten Induktivität häufig erforderlichen großen Zahl an Kupferdrahtwindungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spule mit großer Induktivität bei kleinem Volumen und Materialeinsatz zu erzielen.
Die Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gegeben, der Unteranspruch 2 entspricht einer vorteilhaften Ausgestaltung.
Die Lösung sieht bezogen auf die elektrische Spule und den Auslöser vor, dass der elektrische Leiter der Spule zumindest teilweise aus CNT gebildet oder ein CNT-aufweisender Verbundwerkstoff ist. CNT (Kohlenstoffnanoröhren oder englisch Carbon Nanotubes) sind Makromoleküle, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen und in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern angeordnet sind. Sie können auch als ineinander steckende Röhren ausgebildet sein. Man unterscheidet prinzipiell zwischen Single-Walled-CNT, d. h. einwandige Nanoröhrchen, und Multi-Walled-CNT, d. h. mehrwandige Nanoröhrchen. CNT können sowohl metallisch als auch halbleitend sein, was wiederum von ihrer Geometrie abhängig ist. Neben ihren metallischen Eigenschaften weisen sie eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Weiter sind hohe Stromdichten möglich. Die Verwendung von CNT führt also dazu, dass der Querschnitt der Strombahnen verringert werden kann, was mit einer Verringerung des Platzbedarfs einhergeht, ohne dass eine größere Erwärmung auftritt (bezogen auf die gleiche Stromdichte). Die Verwendung von CNT bzw. eines CNT-aufweisenden Verbundwerkstoffs führt unmittelbar zu einer Erhöhung der Induktivität. Weiter verbessern sich die Spuleneigenschaften, da der elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Spule deutlich geringer ist. Wird die Spule zur Erzeugung eines Stroms verwendet, so erhöht sich die Stromsensivität und damit der von der Spule erzeugte Strom. Auch erhöhen sich die magnetischen Kräfte trotz verringertem Spulenvolumen.
Herstellungstechnisch einfach ist es, wenn die Spule mehrere Windungen aufweist, die auf einen zylindrischen Spulenkörper gewickelt sind. Die Induktivität vergrößert sich, wenn die Spule auf einem ferromagnetischen Kern sitzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Spule,
2 einen Stromsensor mit einer Rogowski-Spule eines Leistungsschalters und
3 einen Auslöser eines Leistungsschalters.
1 zeigt eine elektrische Spule 1, die als Drosselspule oder Transformatorspule verwendet werden kann. Sie weist mehrere Windungen 2 auf, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Bei der Spule 1 handelt es sich um eine spezielle, nämlich eine zylindrische Spule 1, die auch auf einem ferromagnetischen zylindrischen Kern sitzen könnte. Die Spule 1 ist von einem Strom durchflossen, dessen momentane Polarität in 1 mit + und – dargestellt ist. Der sich zeitlich ändernde elektrische Strom führt in der Spule 1 zu einem magnetischen Fluss, der insbesondere durch das Spuleninnere (den Hohlzylinder) verläuft. In 1 sind die Feldlinien 3 und die Polarität N, S (N = Nordpol, S = Südpol) schematische dargestellt.
Umgekehrt kann ein magnetischer Fluss in der Spule 1 einen Strom induzieren.
Damit der Strom durch die Spule 1 fließt, muss das Material, aus dem die Windungen 2 und damit die Spule 1 gefertigt ist, elektrisch leitfähig sein. Das Material ist hier ein aus CNT und Kupfer gebildeter Verbundwerkstoff (Composite). Es kann sich hier selbstverständlich auch um jedes andere Material handeln, dessen Leitfähigkeit teilweise oder vollständig durch das CNT bewirkt wird.
2 ist ein stromdurchflossener Leiter 4 gezeigt, der von einer Rogowski-Spule 5 als Stromsensor eines Leistungsschalters umschlossen ist. Das den Leiter umgebende sich zeitlich ändernde magnetische Feld induziert in der Rogowski-Spule 5 einen Strom, der dem durch den Leiter 4 fließenden Strom proportional ist. Die Rogowski-Spule 5 ist wie die Spule 1 in 1 ausgebildet, d. h. weist zumindest teilweise CNT auf. Die Windungen 6 der Rogowski-Spule 5 können also auch aus einem CNT-Verbundwerkstoff gefertigt sein.
In einer schematischen Darstellung zeigt 3 einen als Maglatch ausgebildeten Auslöser 7 des Leistungsschalters, von dem hier nur die miteinander wechselwirkenden magnetischen Elemente, eine Spule 8 und dein Permanentmagnet 9 zu sehen sind. Die Spule 8 ist wie die Spule 1 in 1 ausgebildet, d. h. sie weist zumindest teilweise CNT auf. Ein solcher Auslöser 7 umfasst einen ferromagnetischen Stößel (nicht gezeigt), der von dem Permanentmagneten 9 gehalten wird. Gegen diese Haltekraft wirkt die Kraft einer gleichzeitig als Energiespeicher dienenden Feder (nicht gezeigt). Bei Überschreitung eines vorgegebenen Stroms (z. B. durch den Leiter 4 in 2) löst der Auslöser 7 aus. Dabei wird von der Spule 8 ein magnetisches Feld erzeugt, welches das Magnetfeld des Permanentmagneten 9 zumindest im Bereich des Stößels kompensiert. Der Strom zur Erzeugung des magnetischen Felds kann der mittels der Spule 5 in 2 abgegriffene Strom sein. Zum Auslösen des Leistungsschalters wird der Stößel unter Freisetzung der in der Feder gespeicherten Energie von der Feder in Richtung seiner Längsachse verschoben.

Claims

Elektrische Spule (1, 5, 8), insbesondere Transformator- und Drosselspule, die mindestens eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Windung (2, 6) aufweist und zur Erzeugung eines durch die mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses von einem Strom durchflossenen wird und umgekehrt mittels eines die durch mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses einem Strom erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter der Spule (1, 5, 8) zumindest teilweise aus CNT gebildet oder ein CNT-aufweisender Verbundwerkstoff ist.
Elektrische Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1, 5, 8) mehrere Windungen aufweist, die auf einen zylindrischen Spulenkörper angeordnet sind, der auf einem ferromagnetischen Kern sitzt.
Auslöser, insbesondere Maglatch, für einen Leistungsschalter, mit einer elektrischen Spule (1, 5, 8), die mindestens eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Windung (2, 6) aufweist und zur Erzeugung eines durch die mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses von einem Strom durchflossenen wird und umgekehrt mittels eines die durch mindestens eine Windung (2, 6) verlaufenden magnetischen Flusses einem Strom erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter der Spule (1, 5, 8) zumindest teilweise aus CNT gebildet oder ein CNT-aufweisender Verbundwerkstoff ist.