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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spule umfassend eine induktiv wirksame Wicklung mit einem elektrischen Leiter und eine Kühlanordnung zur Kühlung der Wicklung. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Drossel und einen elektrischen Transformator. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kühlverfahren zum Kühlen einer elektrischen Spule sowie ein Herstellungsverfahren für eine elektrische Spule.
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Im Stand der Technik ist die Kühlung von Spulen mit einer Taschenkühlung bekannt. Dabei wird kaltes Kühlfluid aus Kühltaschen, die außen auf die Oberfläche einer Wicklung aufgesetzt sind, in die Wicklung eingeleitet, wodurch diese gekühlt wird. Es ist bekannt, dazu Kühlkanäle auszubilden, die durch die Wicklung verlaufen, mit denen Kühlfluid verteilt oder gesammelt wird. Das Kühlkonzept mit Kühltaschen erfordert, dass die Wicklung ausreichend durchlässig ist, um das Kühlfluid an den Kühltaschen zu einer oder mehreren Austrittsstellen zu führen. Da sich das Kühlfluid in der Spule ohne Führung frei bewegt, muss die Spule ringsum geeignet abgedichtet bzw. angeschlossen sein, in einem Ablaufbehältnis stehen oder dergleichen. Dies führt nachteilig zu erheblichen Einschränkungen der Einsatzmöglichkeiten bzw. zu erhöhtem Herstellaufwand.
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Aus der
WO 2009/046733 A1 ist weiter bekannt, in einem elektrischen Wicklungskörper gerade Kühlkanäle zur konvektiven Durchströmung mit Luft einzubringen. Diese Kühlkanäle können über den Wicklungskörper hinaus verlängert werden, indem in die Kühlkanäle gerade, rohrförmige Verlänerungselemente eingeschoben werden. Dies verstärkt eine Kaminwirkung der Kühlkanäle. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass durch die Geradheit des Kühlkanals mit einem einzelnen Kühlkanal nur ein geringer Teil der gesamten Abwärme abgeführt werden kann. Dies erfordert sehr viele Kühlkanäle, die unter Umständen aufwendig zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengeführt werden müssen. Zudem ist die Herstellung relativ aufwendig, zum Beispiel müssen Dorne mit in die Spule eingewickelt werden, um die herum die elektrischen Leiter geformt werden müssen. Schließlich müssen diese Dorne aus der fertigen Wicklung gezogen werden, ohne eine Isolierung der elektrischen Leiter zu beschädigen. Die Kühlleistung eines solchen Kanals ist somit gering und die Herstellung aufwendig.
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Weiter ist im Stand der Technik bekannt, induktiv wirksame elektrische Wicklungen aus Kupfer-Hohlleitern herzustellen. Durch einen solchen Kupfer-Hohlleiter kann zusätzlich zu elektrischem Strom im Inneren ein Kühlfluid geleitet werden, um die in der Wicklung entstehende Wärme abzuführen. Das Biegen von metallischen Rohren ist im Vergleich zu Vollmaterial mit dem selben Querschnitt nur mit erheblich größerem Krafteinsatz möglich und verlangt entsprechend schwere und teure Wickelmaschinen. Zudem ist durch die begrenzte Möglichkeit, das Rohrmaterial zu verformen, eine Grenze bezüglich der Gestaltungsfreiheit gegeben. Eine optimale Auslegung in Bezug auf den Strömungswiderstand bzw. den inneren Rohrdurchmesser und den zur Stromleitung benötigten Rohrwandquerschnitt ist daher nicht immer möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache und kostengünstig herzustellende Kühlanordnung bereitzustellen, mit der eine effektive Kühlung möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine elektrische Spule mit einer Kühlanordnung zu versehen, die wenigstens eine schlauchförmige Kühlleitung mit einer Kühlleitungswand zur Durchströmung mit einem Kühlfluid aufweist, wobei die Kühlleitung zu einer gewundenen Kühlstruktur geformt ist, und wobei diese gewundene Kühlstruktur außen auf der induktiv wirksamen Wicklung und/oder die induktiv wirksame Wicklung durchsetzend angeordnet ist.
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Durch die getrennte Ausführung der induktiv wirksamen Wicklung von der Kühlanordnung mit einer schlauchförmigen Kühlleitung mit einer Kühlleitungswandlung kann die elektrische Spule in ihren elektrischen Eigenschaften weitestgehend unabhängig von den Kühleigenschaften der Kühlanordnung gestaltet werden. Dabei wird das Kühlfluid in der Kühlleitung, die eine eigene Kühlleitungswand aufweist, geführt, so dass die elektrische Spule keinen Einschränkungen bezüglich ihres Einsatzes oder hinsichtlich der Gefahr von Kühlfluidverlust unterliegt. Der Anschlussaufwand ist gering. Zudem ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Spule dahingehend, dass durch die Positionierung und Form des Kühlschlauchs an kritischen Stellen vermehrt Wärme abgeführt oder an besonders unkritischen nur wenig oder keine Wärme abgeführt werden kann. Unter einer schlauchförmigen Kühlleitung wird grundsätzlich ein mehr oder weniger flexibles, aber auch ein starres rohr- oder schlauchförmiges Element verstanden. Im Falle der Verwendung einer flexiblen oder leicht biegbaren, schlauchförmigen Kühlleitung ist außerdem die Herstellung einer entsprechenden Spule stark vereinfacht, so dass eine solche Spule kostengünstig hergestellt werden kann. Die Bereitstellung einer schlauchförmigen Kühlleitung in Form einer gewundenen Kühlstruktur ermöglicht, dass sich die schlauchförmige Kühlleitung leicht an eine meist wenigstens teilweise gebogene Oberfläche einer Wicklung anpassen lässt. In einem Ausführungsbeispiel kann die schlauchförmige Kühlleitung um eine Windungsmitte herum gewunden ausgeführt sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sie mäanderförmig auf der Oberfläche oder im Inneren einer Wicklung verlegt sein. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, in dem die Wicklung um einen ringförmigen Kern herum ausgeführt ist (Ringkernspule), kann die schlauchförmige Kühlleitung ebenfalls auf einer Torusfläche um diesen Kern gewickelt sein. Alternativ kann die schlauchförmige Kühlleitung in Umfangsrichtung des ringförmigen Wickelkerns um diesen herum und dabei an der Außen-, Ober- und Unterseite sowie entlang des Inneren des Wickelkerns gewunden sein. Durch die gewundene Kühlstruktur und die entsprechende Anpassung kann insbesondere von der Oberfläche einer Wicklung optimal Wärme abgeführt werden. Die schlauchförmige Kühlleitung kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel um eine gerade oder gekrümmt gedachte, somit nichtmaterielle Wicklungsachse herum gewunden sein. Die Erfindung kann bei vielerlei Spulentypen angewendet werden, insbesondere bei zylindrischen Spulen mit und ohne Kern, Spulen mit rechteckigem Kern und entsprechend näherungsweise rechteckiger Wicklungsform sowie bei torusförmigen Wicklungen von Ringkernspulen oder solchen Wicklungen ohne Kern. Die Erfindung ist insbesondere für den Bereich der Leistungselektronik sowie der Antriebstechnik geeignet. Ganz besonders geeignet ist die Erfindung für Windkraft-Umrichter und Fotovoltaik-Umrichter. Entsprechende Spulen können kostengünstig hergestellt werden und als stationäre Bauteile problemlos mit Wasser oder Öl als Kühlfluid versorgt werden. Auch bei einer Form der Wicklung, bei der der elektrische Leiter zumindest teilweise oder näherungsweise parallel zu einem Kern ausgerichtet ist, wie es etwa bei einer Ankerwicklung der Fall ist, kann die erfindungsgemäße Kühlanordnung eingesetzt werden. Die Wicklungsmitte ist als ein Punkt oder als ein zusammenhängender Bereich und die Wicklungsachse als eine gedachte Linie oder ein langgestreckter Bereich anzusehen.
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Vorzugsweise ist die Kühlleitung über wenigstens eine Umwindung der Wicklungsmitte an der Außenoberfläche der Wicklung und/oder innerhalb der Wicklung angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kühlleitung zumindest abschnittsweise um die Wicklungsmitte gewunden an der Außenoberfläche der Wicklung und/oder innerhalb der Wicklung angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Spule mehrere Kühlleitungen auf.
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Die Verwendung von mehreren Kühlleitungen bietet mehr Freiheitsgrade bei der Auslegung der Kühlung der Spule. Da sich das Kühlfluid beim Durchlaufen der schlauchförmigen Kühlleitung allmählich erwärmt, werden Teile der Wicklung, die von einem in Durchströmungsrichtung weiter hinten liegenden Teil der schlauchförmigen Kühlleitung gekühlt werden, von wärmerem Kühlfluid und somit schlechter gekühlt. Die Verwendung mehrerer schlauchförmiger Kühlleitungen ermöglicht somit, in einem Gebiet sowohl kühles Kühlfluid in einer der Kühlleitungen und wärmeres Kühlfluid in einer der anderen Kühlleitungen zuzuführen. Dadurch wird eine Auslegung der Kühlanordnung ermöglicht, mit der eine insgesamt gleichmäßigere Kühlung der Wicklung möglich ist. Als eine von mehreren Kühlleitungen wird dabei ein Abschnitt einer Kühlleitung ohne Unterbrechung, Abzweigung oder Zusammenführung mit einer anderen Kühlleitung angesehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens ein Abschnitt einer Kühlleitung in einer im Wesentlichen konstanten Windungsrichtung gewunden.
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Vorzugsweise ist die Windungsrichtung über mindestens einen Umlauf um eine Wicklungsmitte oder eine Wicklungsachse konstant, und besonders bevorzugt ist die Windungsrichtung einer oder mehrerer Kühlleitungen über eine gesamte Außenumfangsfläche einer Wicklung konstant.
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Durch die konstante Windungsrichtung über mehrere Umläufe lässt sich eine gleichmäßige Überdeckung einer Außenfläche einer Wicklung und damit eine gleichmäßige Wärmeabfuhr erreichen. Gleiches gilt auch, wenn die Kühlanordnung auf einer Fläche im Inneren der Wicklung verläuft. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Form der Außenoberfläche der induktiv wirksamen Wicklung von der Kühlanordnung mit der schlauchförmigen Kühlleitung nachgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform überdecken eine oder mehrere Kühlleitungen eine Außenoberfläche der Wicklung vollständig.
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Die Außenoberfläche ist vorzugsweise eine Umfangsfläche einer zylindrischen, rechteckigen oder toroidischen Wicklung. Die Windungen der Kühlanordnung sind dabei vorzugsweise gleichartig ausgeführt. Vorzugsweise ist außerdem die Außenoberfläche lückenlos mit der Kühlanordnung überdeckt. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass die Umgebung der Spule nicht mit der unter Umständen heißen Außenoberfläche der Wicklung in Verbindung steht. Stattdessen steht sie mit der Außenoberfläche der einen oder der mehreren Kühlleitungen in Verbindung, die eine geringere Temperatur haben. Dies kann Vorteil bezüglich der Sicherheit beim Berühren der Spule sowie bezüglich der Erwärmung der Umgebung der Spule haben.
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In einer weiteren Ausführungsform sind alle Kühlleitungen an der Außenoberfläche der Wicklung überkeruzungsfrei mit sich selbst oder mit einer anderen Kühlleitung ausgeführt. An den Kreuzungsstellen liegen zwei Kühlleitungsabschnitte übereinander, so dass, wenn die Überkreuzng an einer Außenoberfläche der Wicklung liegt, einer davon für die Kühlung weniger wirksam ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kühlleitung parallel zu wenigstens einem Teil des elektrischen Leiters der Wicklung gewunden.
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Dies ist vorteilhaft für die Herstellung der Kühlanordnung, da sie während des Wickelns der Wicklung gleichzeitig mit in die Spule eingewickelt werden kann. Das Einwickeln kann dabei optional ab dem Beginn des Wickelns des elektrischen Leiters zu der induktiv wirksamen Wicklung und vorzugsweise bis zum Ende durchgeführt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kühlleitung während des Wickelns einer Lage der induktiv wirksamen Wicklung mit in diese Lage eingewickelt werden. In einem Ausführungsbeispiel ist diese Lage die letzte gewickelte Lage, so dass die Kühlleitung vorzugsweise an der Außenoberfläche der Wicklung zu liegen kommt. Beim Einwickeln kann die Kühlleitung direkt neben dem gewickelten elektrischen Leiter liegen. Alternativ kann die Kühlleitung beim Einwickeln auf einem bereits gewickelten Teil des elektrischen Leiters zu liegen kommen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Kühlleitung von einem gleichzeitig gewickelten elektrischen Leiter entfernt angeordnet sein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Wickeln der Kühlleitung während des Wickelns einer Lage des elektrischen Leiters mit einer anderen Vorschubgeschwindigkeit ausgeführt werden, so dass die Anzahl der Umschlingungen mit Kühlleitung von der Anzahl der Windungen des elektrischen Leiters abweicht. Insbesondere kann die Anzahl der Umschlingungen kleiner sein als die Anzahl der Windungen. Dadurch kann sich ein Abstand zwischen den Umschlingungen mit der Kühlleitung umgeben, oder es kann eine Kühlleitung mit einem größeren Durchmesser als der des elektrischen Leiters verwendet werden. Vorzugsweise sind der Vorschub für die Umschlingungen mit der Kühlleitung und der Durchmesser der Kühlleitung so gewählt, dass die Umschlingungen mit der Kühlleitung dicht nebeneinander liegen. Unabhängig von der Ausführungsform können eine oder mehrere solche Lagen in die induktiv wirksame Wicklung eingewickelt werden.
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In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Kühlleitung unabhängig von der induktiv wirksamen Wicklung auf die Außenoberfläche der Wicklung gewunden werden. Die Wickelleitung kann auf einer Wickelmaschine und/oder von Hand gewickelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die schlauchförmige Kühlleitung als flexibler Schlauch ausgebildet. Ein flexibler Schlauch ist zur Herstellung der Kühlanordnung besonders leicht zu verarbeiten.
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In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist das Material des Schlauchs Polyethylen, Polyamid, PTFE, Fluorkautschuk oder Polymer-Blend aus zwei oder mehr der vorgenannten Polymere und optional zusätzlich Metallpulver oder Metallfasern.
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Die genannten Materialien haben einen geringen Elastizitätsmodul und ermöglichen damit das Biegen der Schläuche mit geringen Kräften. Zudem sind die Materialien elektrisch isolierend, so dass eine Potentialfreiheit des Kühlfluids in der schlauchförmigen Kühlleitung fließenden mit guter Sicherheit gegeben ist. Dadurch kann kein elektrischer Strom aus der Spule durch das Kühlfluid abgeleitet werden. Um die thermische Leitfähigkeit der Kühlleitung zu erhöhen, können in dem polymerischen Material Metallpartikel als Metallpulver oder Metallfasern eingebracht sein. Der Anteil der Partikel ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass diese sich innerhalb des Polymers nicht berühren und somit die Isoliereigenschaften des Materials gewahrt bleiben. Vorteilhaft sind Metallpartikel oder Metallspäne nicht an der Innen- und/oder Außenoberfläche der Kühlleitung angeordnet. In noch einer weiteren Ausführungsform ist in der Wand der Kühlleitung eine metallische Spirale vorgesehen, so dass sich dadurch ein Metallanteil in dem Polymer ergibt. Durch die Spiralform wird die Flexibilität des Schlauchs nur unwesentlich beeinträchtigt. Der Metallanteil in dem Polymer erhöht die Wärmeleitfähigkeit erheblich. Die gewählten Polymermaterialien haben als Polymere einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der jedoch durch den Metallanteil noch erheblich gesteigert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Kühlleitung dünnwandig ausgeführt, bevorzugt mit einer Wandstärke kleiner als ein Viertel des Durchmessers der Kühlleitung, besonders bevorzugt kleiner als ein Achtel des Durchmessers und ganz besonders bevorzugt kleiner als ein Sechzehntel des Durchmessers. Vorzugsweise hat die Kühlleitung einen kreisrunden Querschnitt. Alternativ kann der Kühlschlauch im Wesentlichen einen Rechteckquerschnitt, vorzugsweise mit stark abgerundeten Ecken, aufweisen. Durch einen solchen Rechteckquerschnitt kann bei einer vollständigen Überdeckung einer Außenoberfläche der Wicklung eine geringere Windungsanzahl erreicht werden, was wiederum eine geringere Gesamtlänge der Kühlleitung und somit einen geringeren hydraulischen Widerstand für das Kühlfluid ergibt. Dabei wird vorzugsweise die Seite des Rechtecks mit der größeren Abmessung tangential zu der Außenoberfläche der Wicklung angeordnet. Dabei ist der Winkel der Umschlingungen der Wicklung mit der Kühlleitung vergleichsweise größer. Als Kühlfluid wird vorzugsweise Öl oder Wasser verwendet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind eine erste Kühlleitung und eine zweite Kühlleitung nebeneinanderliegend um eine Wicklungsachse gewunden, wobei die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung derart an einen gemeinsamen Anschluss angeschlossen sind, dass die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung in zueinander entgegengesetzten Strömungsrichtungen von Kühlfluid aus dem gemeinsamen Anschluss durchströmbar sind. Durch die genannte Anordnung von zwei Kühlleitungen ergibt sich eine besonders gleichmäßige Wärmeabfuhr aus der Spule und somit eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung. Während, wie schon oben beschrieben, an einem Ende der einen Kühlleitung bereits erwärmtes Kühlfluid fließt, fließt an der selben Stelle der Kühlanordnung im entsprechenden Ende der anderen, daneben angeordneten Kühlleitung noch nicht aufgewärmtes, kühles Kühlfluid. In der Mitte beider Kühlleitungen ist das jeweilige Kühlfluid in vielen Fällen etwa gleich stark aufgewärmt. Insgesamt ergibt sich somit eine optimale Verteilung der Wärmeabfuhr. Vorzugsweise sind die beiden Kühlleitungen am Außenumfang einer zylindrischen oder rechteckigen Wicklung angeordnet. Ein gemeinsamer Anschluss beider Kühlleitungen kann die Versorgung entgegengesetzter Enden der beiden Kühlleitungen mit kühlem Kühlfluid und/oder die Abfuhr von erwärmtem Kühlfluid aus entgegengesetzten Enden der Kühlleitungen bewirken. Vorteilhaft sind beide genannten Anschlüsse in einem Anschlussmodul zusammengefasst. Die Anschlüsse bzw. das Anschlussmodul sind vorzugsweise an der Spule befestigt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine von zwei parallel gewundenen Kühlleitungen mit einem Endabschnitt an einen Versorgungsanschluss angeschlossen, und die andere Kühlleitung mit einem Endabschnitt an einen Abfuhranschluss angeschlossen, wobei die beiden Endabschnitte teilweise auf der Spule parallel zueinander angeordnet sind. Die beiden Kühlleitungen werden auf diese Weise in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchströmt. Die beiden anderen Endabschnitte der Kühlleitungen, die an anderer Stelle der Spule ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind, sind in einer Weiterbildung aneinander angeschlossen, sodass aus einer Kühlleitung austretendes Kühlfluid in die andere Kühlleitung eintritt. Die Verbindungsstelle kann in einem Verbindungsmodul angeordnet sein, das vorzugsweise an der Spule befestigt ist. Das Anschlussmodul und das Verbindungsmodul können jeweils dem Anschluss bzw. der Verbindung von Kühlleitungen von mehreren Spulen dienen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine Kühlleitung in einem Abschnitt mit der Wicklung durch Vergießen stoffschlüssig verbunden.
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Durch dieses Vergießen wird die Wärmeübertragung aus der Spule in die Kühlleitung und damit in das Kühlfluid verbessert. Außerdem wird die mechanische Stabilität der Kühlanordnung verbessert. Dies kann insbesondere beim Einsatz in Windkraftanlagen, in denen die Kühlanordnung erhöhten Vibrations- und Stoßbelastungen ausgesetzt ist, vorteilhaft sein. Vorzugsweise wird eine Vergussmasse aus Polyurethan verwendet. Die Vergussmasse wird vorzugsweise im Vakuumverfahren eingebracht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Drossel vorgeschlagen, die eine Spule in einer der vorgenannten Ausführungsformen umfasst.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Transformator vorgeschlagen, der eine Spule nach einer der vorgenannten Ausführungsformen aufweist.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlverfahren zum Kühlen einer elektrischen Spule vorgeschlagen, bei dem eine Kühlleitung einer Kühlanordnung einer Spule nach einer der vorgenannten Ausführungsformen mit einem Kühlfluid durchströmt wird.
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In einer Ausführungsform des Kühlverfahrens weist die Kühlanordnung eine erste Kühlleitung und eine zweite Kühlleitung auf, wobei die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung an einer Stelle, an der die erste und die zweite Kühlleitung benachbart und näherungsweise parallel angeordnet sind, in zueinander entgegengesetzten Strömungsrichtungen von Kühlfluid durchströmt werden.
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Vorzugsweise fließt in der ersten Kühlleitung und in der zweiten Kühlleitung der gleiche Massenstrom. Es ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben in Bezug auf eine Spule genannt, insbesondere eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung in der Wicklung.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine elektrische Spule nach einer der vorgenannten Ausführungsformen vorgeschlagen, bei der eine Kühlleitung um eine Wicklungsmitte oder eine Wicklungsachse gewunden wird. Merkmale und Verfahrensschritte, die in Bezug auf eine elektrische Spule offenbart sind, können auch bei dem Herstellungsverfahren nach diesem Aspekt der Erfindung zum Einsatz kommen.
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Auf diese Weise kann eine Kühlanordnung einfach hergestellt werden. Insbesondere kann in einem Ausführungsbeispiel die Kühlleitung auf derselben Wickelvorrichtung gewunden werden, auf der auch der elektrische Leiter gewickelt wird. In einer weiteren Ausführungsform wird die Kühlleitung gleichzeitig mit dem elektrischen Leiter der Kühlanordnung bzw. der Wicklung zugeführt. In noch einer weiteren Ausführungsform wird, nachdem der elektrische Leiter zu einer induktiv wirksamen Wicklung gewickelt worden ist, die Kühlleitung auf einer Außenfläche der Wicklung gewunden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Spule nach der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Spule nach der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
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3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Ausführungsform der elektrischen Spule nach der Erfindung.
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4 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der elektrischen Spule nach der Erfindung.
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1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Spule 1 mit einem Kern 3. Auf den Kern 3 ist ein elektrischer Leiter 5 zu einer schematisch dargestellten Wicklung 7 gewickelt. Obwohl die Wicklung einlagig dargestellt ist, kann diese auch mehrlagig ausgeführt sein. Ebenfalls abweichend von der schematischen Darstellung kann die Wicklung 7 den Kern 3 vollständig überdecken. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Kühlleitung 9 um die Außenoberfläche der Wicklung 7 gewunden. Die Kühlleitung 9 hat dabei eine gleichmäßige Steigung. Sie überkreuzt sich selbst nicht. Das in die Kühlleitung 9 eingeleitete Kühlfluid ist dabei kühler als die Temperatur an der Außenoberfläche der Wicklung 7. Vorzugsweise ist auch das von der Spule 1 weggeleitete Kühlfluid kühler als die Temperatur an der Außenoberfläche der Wicklung 7. Die Steigung der Windungen aus Kühlleitung weicht von der Steigung der Windungen aus elektrischem Leiter der Wicklung 7 ab. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform können die Windungen der Kühlleitung 9 unmittelbar nebeneinander oder einander berührend ausgeführt sein. Dadurch wird die Außenoberfläche der Wicklung 7 im Bereich der Windungen der Kühlleitung 9 nahezu vollständig oder vollständig überdeckt. In der gezeigten Ausführungsform hat die Kühlleitung 9 einen kreisrunden Querschnitt. Die Kühlleitung 9 umfasst PTFE.
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2 zeigt schematisch eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Spule nach der Erfindung. Merkmale, die mit der in der 1 gezeigten Ausführungsform identisch sind, haben dieselben Bezugszeichen. Diesbezüglich sei auf die Merkmalsbeschreibungen der 1 verwiesen. Die in der 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten dadurch, dass eine auf der Außenoberfläche der Wicklung 7 aufgebrachte Kühlanordnung zwei Kühlleitungen 11 und 13 umfasst. Die beiden Kühlleitungen 11 und 13 sind nebeneinanderliegend nach Art eines zweigängigen Gewindes auf der Außenoberfläche der Wicklung 7 um den Kern 3 gewunden. Keine der Kühlleitungen 11 bzw. 13 überkreuzt sich mit sich selbst oder der anderen Kühlleitung. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kühlleitungen 11 und 13 voneinander beabstandet. In einer alternativen Ausführungsform können die Kühlleitungen 11 und 13 aneinander angrenzen. Die Außenoberfläche der Wicklung 7 kann im Bereich der Kühlanordnung lückenlos von den Kühlleitungen 11 und 13 überdeckt sein. Die Kühlleitungen 11 und 13 sind mit gleicher Steigung um den Kern 3 gewunden. In der dargestellten Ausführungsform ist mit weißen Pfeilen auf die Kühlleitungen 11 bzw. 13 die Durchströmungsrichtung der Kühlleitungen 11 bzw. 13 mit Kühlfluid angegeben. Die Durchströmungsrichtungen der Kühlleitungen 11 bzw. 13 sind in dieser Ausführungsform entgegengesetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich, wie oben beschrieben, eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung ergibt. In einer alternativen Ausführungsform können die Kühlleitungen 11 und 13 gleicher Richtung durchströmt sein. Dies vereinfacht den Anschluss der Leitungen. Durch die Verwendung zwei parallel verlaufender Leitungen verringert sich im Vergleich zu einer einzelnen Kühlleitung mit mehr Windungen der hydraulische Widerstand, den das Kühlfluid beim Durchlaufen der Kühlleitungen 11 und 13 überwinden muss. Die Kühlleitungen 11 und 13 können so ausgelegt sein, dass eine der Kühlleitungen ausreicht, um eine ausreichende Kühlung der Spule 1 sicherzustellen. Die Betriebssicherheit einer solchen Spule wird dadurch erhöht.
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3 zeigt einen Querschnitt einer elektrischen Spule 1 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Eine Wicklung 7 ist auf bekannte Weise um einen Kern 3 gewickelt. Auf der Außenoberfläche der Wicklung 7 ist eine Kühlvorrichtung 15 angeordnet, die aus wenigstens einer Kühlleitung besteht. Diese kühlt die Wicklung 7 an ihrem Außenumfang. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform kann der Querschnitt des Kerns 3, der Wicklung 7 und der Kühlanordnung 15 im Wesentlichen rechteckig sein. Dies ist vor allem bei der Umwicklung von geblechten Kernen, beispielsweise bei Transformatoren, von Vorteil.
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4 zeigt eine Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Spule 1 nach der Erfindung. Ein Kern 3 ist mit einem Teil 7 der Spule umwickelt. Auf der Außenoberfläche dieses Teils der Wicklung 7 ist eine Kühlanordnung 17 in Form einer zylindrischen Schicht um den inneren Teil der Wicklung 7 angeordnet, um diese zu kühlen. Auf der Außenoberfläche der Kühlanordnung 17 ist ein äußerer Teil der Wicklung 7 angeordnet. Die Kühlanordnung 17 aus Kühlleitung kühlt den Zentralbereich der Wicklung 7, an dem die Wärme am schlechtesten abgeleitet werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Kühlanordnung 17 auch zwischen dem Kern 3 und der Wicklung 7 angeordnet sein. Dies kann vorteilhaft sein, wenn durch Betrieb mit hohen Frequenzen der Kern durch Ummagnetisierungsverluste aufgeheizt wird. In noch einer weiteren Ausführungsform können mehrere zylinderförmige Kühlanordnungen 17 mit verschiedenen Durchmessern an mehreren Stellen am Innenumfang, im Inneren oder am Außenumfang der Wicklung 7 angeordnet sein. In einer weiteren Abwandlung der in 4 dargestellten oder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist der Kern 3 im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch ausgeführt und von einer entsprechend rechteckigen oder quadratischen Wicklung 7 bzw. einer oder mehreren entsprechend rechteckigen oder quadratischen Kühlanordnungen 17 umgeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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