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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungswiderstand mit einem eine Haupterstreckungsachse aufweisenden Grundkörper, welcher zumindest einen elektrischen Leiter trägt.
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Üblicherweise ist bei einem solchen Leistungswiderstand der elektrische Leiter mehrfach möglichst straff um den Grundkörper gewickelt, was ein Verrutschen einzelner Wicklungsschleifen verhindern soll, um ein Berühren der Wicklungsschleifen und einen damit verbundenen Kurzschluss zuverlässig zu vermeiden. Derartige Leistungswiderstände sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise als Filter- oder Dämpfungswiderstände von elektrischen Schwingkreisen eingesetzt oder dienen bei elektrischen Generatoren oder Frequenzumrichtern dazu, hohe elektrische Leistungen rasch abzubauen.
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Bei all den vorstehend genannten Anwendungen wird im Wesentlichen elektrische Energie durch den Leistungswiderstand in thermische Energie umgewandelt. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers und des elektrischen Leiters in der Regel unterschiedlich sind, bewirkt die erzeugte Wärme, dass sich der Grundkörper und der elektrische Leiter unterschiedlich stark ausdehnen. Weist beispielsweise der Grundkörper eine stärkere Wärmeausdehnung auf als der elektrische Leiter, können sich infolge der straffen Wicklung des elektrischen Leiters hohe mechanische Verspannungen aufbauen, so dass im Extremfall der Grundkörper bricht und/oder der elektrische Leiter reißt, wodurch der Leistungswiderstand unbrauchbar wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Leistungswiderstand zu schaffen, bei welchem die vorstehend beschriebenen Probleme auch bei hohem Wärmeeintrag nicht auftreten.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Leistungswiderstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Leistungswiderstand umfasst einen eine Haupterstreckungsachse aufweisenden Grundkörper, welcher zumindest einen elektrischen Leiter trägt. Beispielsweise ist der elektrische Leiter auf den Grundkörper gewickelt. Der elektrische Leiter ist zumindest abschnittsweise sowohl bandartig ausgestaltet als auch in dessen Längserstreckung unduliert.
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Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, dass der elektrische Leiter bei einer Wärmeausdehnung, insbesondere bei einer Wärmeausdehnung des Grundkörpers, durch eine zumindest abschnittsweise Undulation des elektrischen Leiters gestreckt werden kann. Dabei vergrößert sich eine Wellenlänge der Undulation. D.h. der elektrische Leiter kann durch eine Längenänderung, die durch die Undulation ermöglicht wird, einer starken Wärmeausdehnung des Grundkörpers besser folgen. Zudem ist durch die bandartige Ausgestaltung des elektrischen Leiters dessen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis deutlich verbessert, was eine höhere Wärmeabgabe begünstigt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass wärmebedingte Ausdehnungsschäden vermieden werden können, wodurch sich eine Lebensdauer des Leistungswiderstands insgesamt erhöht.
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Der elektrische Leiter kann verschiedene Undulationsarten aufweisen, so kann die Undulation beispielsweise sinusoidal, zig-zag-artig (Dreieckundulation), sägezahnartig, rechteckig sein oder auch beliebige andere Undulationsarten aufweisen. Es ist dabei unerheblich, ob die Undulation periodisch, teilweise periodisch oder vollständig aperiodisch ist. Überdies kann die Amplitude der Undulation des elektrischen Leiters gleichmäßig sein. Es ist aber auch denkbar, dass der elektrische Leiter Abschnitte mit unterschiedlicher Undulationsamplitude aufweist. Auch kann die Undulation des elektrischen Leiters eine konstante Wellenlänge aufweisen. Undulationsabschnitte mit unterschiedlichen Wellenlängen sind ebenfalls möglich. Es versteht sich, dass auch Abschnitte ohne Undulation vorliegen können. Beispielsweise kann der elektrische Leiter in dessen beiden Endbereichen zur besseren Kontaktierung des elektrischen Leiters nicht unduliert sein.
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Des Weiteren kann der elektrische Leiter in Richtung dessen Längserstreckung gesehen eine konstante Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aufweisen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche variieren. Ferner kann der elektrische Leiter zumindest abschnittsweise unterschiedliche Materialien umfassen. Insbesondere können die unterschiedlichen Materialien in dessen Längserstreckung periodisch angeordnet sein und/oder unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Der Leistungswiderstand kann nicht nur einen elektrischen Leiter umfassen, welcher um den Grundkörper aufgewickelt ist, vielmehr können auch mehrere Leiter polyfilar um den Grundkörper aufgewickelt sein.
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Vorzugsweise sind der Grundkörper und der mindestens eine um den Grundkörper aufgewickelte elektrische Leiter in einem Gehäuse, insbesondere einem zylindrischen Gehäuse, angeordnet, welches mit einem elektrisch nicht leitendem Granulat, wie zum Beispiel Sand, aufgefüllt ist.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Eine besonders günstige Bauform des Leistungswiderstands lässt sich dadurch realisieren, wenn der elektrische Leiter spiralförmig mit mindestens einer Wicklung um eine Wicklungsachse auf den Grundkörper gewickelt ist. Bevorzugt sind dabei die Wicklungsachse und die Erstreckungsachse des Grundkörpers im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Wicklungsachse und die Erstreckungsachse unter einem Winkel, insbesondere einem spitzen Winkel, zueinander ausgerichtet sein können.
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Vorzugsweise weist der elektrische Leiter einen Querschnitt mit einer eine Breite des elektrischen Leiters definierenden ersten Achse und mit einer eine Stärke des elektrischen Leiters definierenden zweiten Achse auf. Im Wesentlichen ist der Querschnitt des elektrischen Leiters rechteckig, wobei die Ränder des elektrischen Leiters auch abgerundet sein können.
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Erfindungsgemäß sind die erste Achse des elektrischen Leiters und die Haupterstreckungsachse des Grundkörpers im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Mit anderen Worten steht der bandartige elektrische Leiter nicht mit seiner Schmalseite auf dem Grundkörper. Anders ausgedrückt ist beispielsweise eine zig-zag-artige Undulation des bandartigen elektrischen Leiters vergleichbar mit einem Leporellofalz, wobei die Falze im Wesentlichen parallel zur Wicklungsachse bzw. zur Haupterstreckungsachse des Grundkörpers ausgerichtet sind.
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Grundsätzlich kann der elektrische Leiter eine Undulation mit nur einer dem Grundkörper zugewandten Extremstelle und nur einer dem Grundkörper abgewandten Extremstelle aufweisen. Bevorzugt weist die Undulation des elektrischen Leiters jedoch mehrere Extremstellen auf, wobei ein Teil der Extremstellen dem Grundkörper zugewandt ist und der andere Teil der Extremstellen dem Grundkörper abgewandt ist. Mit anderen Worten weisen die Extremstellen in Bezug auf die Wicklungsachse teilweise radial nach innen und teilweise radial nach außen.
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Unter der Annahme, dass die Haupterstreckungsachse des Grundkörpers und die Wicklungsachse im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, liegen die Undulationen gewissermaßen in einer Ebene, welche im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsachse des Grundkörpers ausgerichtet ist.
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Der Grundkörper kann verschiedene Umfangsformen aufweisen. Bevorzugt ist die Umfangsform des Grundkörpers rechteckig, wobei aber auch eine kreisförmige Umfangsform oder eine beliebige undefinierte Umfangsform denkbar sind. Im einfachsten Falle ist ein im Wesentlichen planes Stützelement vorgesehen. Der Grundkörper kann aber auch mehrere plane Stützelemente umfassen, welche derart zueinander ausgerichtet sind, dass der Grundkörper beispielsweise einen T-förmigen, Y-förmigen, kreuzförmigen oder sternförmigen Querschnitt aufweist. Es ist aber auch denkbar, dass der Grundkörper einen O-förmigen, runden, ovalen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweist.
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Um sicher zu stellen, dass die Wicklungsschleifen getrennt verlaufen, um einen Kurzschluss zu vermeiden, kann der Grundkörper Einkerbungen aufweisen, in welchen die Wicklungsschleifen zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Grundkörper mindestens eine Kante, insbesondere eine im Wesentlichen gerade Kante, aufweist, an welcher der elektrische Leiter anliegt. Vorzugsweise ist die Kante im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsachse des Grundkörpers.
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Dabei erweist es sich als günstig, wenn der elektrische Leiter formschlüssig und/oder kraftschlüssig an der Kante des Grundkörpers angebracht ist. In anderen Worten ist der elektrische Leiter bei dieser Ausführungsform gewissermaßen an der Kante des Grundkörpers angepresst oder sogar festgeklemmt. Hierdurch kann ein Verrutschen des Leiters verhindert werden, so dass benachbarte Wicklungsschleifen nicht in Kontakt geraten und letztendlich so ein Kurzschluss zwischen diesen vermieden wird. Überdies vereinfacht sich die Herstellung des Grundkörpers, da auf aufwendige Einkerbungen der Kanten des Grundkörpers verzichtet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann an dem Grundkörper mindestens ein Befestigungselement vorgesehen ist, welches zum Befestigen, insbesondere zum stoffschlüssigen Befestigen, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten, des elektrischen Leiters an dem Grundkörper dient. Es ist von Vorteil, wenn das Befestigungselement in einem kantennahen Bereich und/oder in einem axialen Endbereich des Grundkörpers angeordnet ist.
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Bevorzugt ist das Befestigungselement in Form eines Niets ausgebildet, welcher an dem Grundkörper vernietet ist. Dabei können ein Setzkopf und/oder ein Schließkopf des Niets jeweils eine Befestigungsfläche zum stoffschlüssigen Befestigen des elektrischen Leiters bilden. Grundsätzlich ist aber auch denkbar, dass der Niet dazu verwendet werden kann, den elektrischen Leiter an dem Grundkörper in konventioneller Weise festzunieten.
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Vorteilhafterweise umfasst der Grundkörper ein elektrisch isolierendes Material, wie zum Beispiel Glimmer, insbesondere Kunstglimmer, Hartpapier, Keramik oder einen elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff. Es versteht sich, dass der elektrische Leiter bevorzugt aus einem metallischen Material besteht, wobei grundsätzlich auch die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Kunststoffs denkbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Leistungswiderstand gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Querschnittansicht des Leistungswiderstands von 1; 3 eine alternative Befestigungsart eines elektrischen Leiters eines erfindungsgemäßen Leistungswiderstands; und
- 4 eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungswiderstands.
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1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Leistungswiderstand mit einem eine Haupterstreckungsachse A aufweisenden Grundkörper 10, um welchen ein bandartiger elektrischer Leiter 12 spiralförmig um eine Wicklungsachse B aufgewickelt ist. Der Grundkörper 10 umfasst ein elektrisch isolierendes Material, wie zum Beispiel Glimmer, insbesondere Kunstglimmer, Hartpapier, Keramik oder einen elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff, wohingegen der elektrische Leiter 12 beispielsweise ein Metall oder ein elektrisch leitender Kunststoff sein kann. Der Grundkörper 10 ist in der beispielhaft dargestellten Ausführungsform ein im Wesentlichen planes Stützelement für den elektrischen Leiter 12.
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Infolge eines Steigungswinkels α der spiralförmigen Wicklung des elektrischen Leiters 12 sind die Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers 10 und die Wicklungsachse B geringfügig zueinander geneigt und schließen einen spitzen Winkel ein (1). In vielen Anwendungsbeispielen fallen die Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers 10 und die Wicklungsachse B praktisch zusammen.
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Der elektrische Leiter 12 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer eine Breite des elektrischen Leiters 12 definierenden ersten Achse und mit einer eine Stärke oder Dicke des elektrischen Leiters 12 definierenden zweiten Achse auf, wobei die Stärke des elektrischen Leiters 12 deutlich geringer ist als dessen Breite. Die erste Achse und die Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers 10 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, d.h. der elektrische Leiter 12 ist nicht mit seiner Schmalseite, sondern vielmehr mit dessen Breitseite auf den Grundkörper 10 gewickelt.
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Des Weiteren ist der elektrische Leiter 12 in dessen Längserstreckung unduliert. Die Undulation des elektrischen Leiters 12 dient dazu, eine etwaige Wärmeausdehnung des Grundkörpers 10 zu kompensieren, welche beispielsweise während des Betriebes des Leistungswiderstands auftreten kann. Die Undulation des elektrischen Leiters 12 weist mehrere Extremstellen 14 auf, wobei ein Teil der Extremstellen 14a dem Grundkörper 10 zugewandt sind und der andere Teil der Extremstellen 14b dem Grundkörper 10 abgewandt sind. Die Extremstellen 14 können dabei den Grundkörper 10 berühren (2), aber auch mit diesem nicht in Kontakt stehen (3).
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In den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der elektrische Leiter 12 in dessen Längserstreckung zig-zag-förmig unduliert. Die Undulation des elektrischen Leiters 12 ist gewissermaßen in Form eines Leporellofalzes ausgebildet, wobei die einzelnen Falze des Leporellofalzes die Extremstellen 14 der Undulation darstellen. Wie anhand von 1 zu erkennen ist, erstrecken sich die Falze über die gesamte Breite des elektrischen Leiters 12 und sind im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers 10 bzw. zur Wicklungsachse B ausgerichtet. Es versteht sich, dass der elektrische Leiter 12 aber auch anders unduliert sein kann, zum Beispiel sinusoidal, sägezahnartig, rechteckig oder auch in einer beliebigen anderen Weise. Der elektrische Leiter 12 kann auch nur abschnittsweise unduliert sein. Die Eigenschaften der Undulation (insbesondere deren Formgebung, Amplitude, Wellenlänge) können in Längserstreckung des elektrischen Leiters 12 variieren.
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Der Grundkörper 10 weist ferner mindestens eine im Wesentlichen gerade und im Wesentlichen zur Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers parallele Kante 16 auf, an welcher der um den Grundkörper 10 aufgewickelte elektrische Leiter 12 anliegt. In der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der Grundkörper 10 konkret zwei zueinander im Wesentlichen parallele Kanten 16, an welchen der elektrische Leiter 12 anliegt. Vorzugsweise liegt der elektrische Leiter 12 mit einer Extremstelle 14 an der Kante 16 an.
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Überdies kann der elektrische Leiter 12 zur besseren Befestigung an dem Grundkörper 10 form- und/oder kraftschlüssig an den Kanten 16 des Grundkörpers angebracht sein, so dass sich hierdurch ein Verrutschen von einzelnen Wicklungsschleifen des elektrischen Leiters 12 vermeiden lässt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Leiter 12, wie in 3 dargestellt ist, auch mittels eines Befestigungselements 18, welches hier in Form eines Niets ausgebildet ist, an dem Grundkörper 10 befestigt sein. Das Befestigungselement 18 dient insbesondere zum stoffschlüssigen Befestigen, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten, des elektrischen Leiters 12 an dem Grundkörper 10. Zu diesem Zweck umfasst das Befestigungselement 18 einen Kopf 20, insbesondere einen Setzkopf des Niets, welcher als Befestigungsfläche für den elektrischen Leiter 12 dient.
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Auch wenn der elektrische Leiter 12 in 3 derart dargestellt ist, als wäre er nur auf einer Seite des Grundkörpers angebracht, so versteht es sich, dass der elektrische Leiter 12 ebenso auch um den Grundkörper 10 aufgewickelt sein kann. Insbesondere kann der elektrische Leiter 12 auf einer dem Setzkopf gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 10 an einem beim Nietvorgang gebildeten Schließkopf (nicht dargestellt) an dem Grundkörper 10 angebracht sein.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Leistungswiderstands, welcher sich von dem in 1 und 2 dargestellten Leistungswiderstand im Wesentlichen darin unterscheidet, dass der Grundkörper 10 aus zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Stützelementen 22 gebildet ist. Die Stützelemente 22 können beispielsweise entlang der Haupterstreckungsachse A des Grundkörpers 10 form- und/oder kraftschlüssig ineinander gesteckt sein. Die beiden Stützelemente 22 können aber auch stoffschlüssig, zum Beispiel mittels Klebstoff, miteinander verbunden sein, um den Grundkörper 10 zu bilden.
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Der in 4 dargestellte Grundkörper 10 weist einen im Wesentlichen Kreuz- oder X-förmigen Querschnitt auf. Es ist aber auch denkbar, dass der Grundkörper 10 andere Querschnittsformen aufweisen kann, wie zum Beispiel eine T-Form, Y-Form oder sternartige Form. Überdies kann der Grundkörper 10 einen O-förmigen, runden, ovalen oder beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Im Folgenden wird nun erläutert, wie mit Hilfe des undulierten bandartigen elektrischen Leiters 12 eine Wärmeausdehnung des Grundkörpers 10 kompensiert wird. Bei einer Wärmeausdehnung des Grundkörpers 10 kann sich eine Wellenlänge der Undulation, d. h. der Abstand zwischen zwei benachbarten dem Grundkörper 10 zugewandten Extremstellen 14a oder zwischen zwei benachbarten dem Grundkörper 10 abgewandten Extremstellen 14b, ändern. Hierdurch kann der elektrische Leiter 12 der Wärmeausdehnung des Grundkörpers 10 folgen bzw. eine wärmebedingte Volumenausdehnung des Grundkörpers 10 durch eine Längenänderung kompensieren, ohne dass der elektrische Leiter 12 dabei reißt, wodurch letztendlich eine dauerhafte Betriebssicherheit des Leistungswiderstands gewährleistet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundkörper
- 12
- elektrischer Leiter
- 14
- Extremstelle
- 14a
- Extremstelle
- 14b
- Extremstelle
- 16
- Kante
- 18
- Befestigungselement
- 20
- Kopf
- 22
- Stützelement
- A
- Haupterstreckungsachse
- B
- Wicklungsachse
- α
- Steigungswinkel
