-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit langfristig verbesserter Kühlung.
-
Spulenanordnungen sind elektrische Bauelemente, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen. Als induktive passive Bauelemente stellt eine definierte Induktivität ihre wesentliche Eigenschaft dar. Spulenanordnungen, insbesondere Drosselspulen, werden zum Beispiel zur Dämpfung, Funkentstörung, Strombegrenzung, Kommutierung, Unterdrückung unerwünschter Frequenzen und/oder zur Zwischenspeicherung von Energie verwendet. Spulenanordnungen finden vor allem im Bereich der Stromversorgung elektrischer oder elektronischer Geräte und Anlagen sowie in der Leistungselektronik Anwendung.
-
Eine Spulenanordnung besteht aus einem stromleitenden Draht, der über mehrere Windungen in mindestens einer Wicklung, d.h. Lage, auf einen Spulenkörper mit einem Kern gewickelt ist. Als Windung versteht man einen Umlauf des Spulendrahtes, also Stromleiters, um den Kern. Die Windungen sind dabei voneinander isoliert. Die Windungsanordnung, insbesondere ihre Form und der Drahtdurchmesser, bestimmen den Wert der Induktivität und weitere Eigenschaften der Spulenanordnung. Weiterhin maßgeblich für die Eigenschaften der Spulenanordnung ist die Windungszahl der Spule sowie das Material, aus dem der Spulendraht und der Kern bestehen. In der Regel besteht der Kern aus weichmagnetischem Material, um die Induktivität der Spule zu erhöhen.
-
Durch die Wicklung der Spule fließt meist der volle Laststrom einer nachfolgenden Schaltung. Theoretisch steigt der Strom durch eine Spule, an welche eine konstante Spannung angelegt ist, mit der Zeit immer weiter an. Dies sollte auch für die in der Spulenanordnung gespeicherte Energie gelten. In der Praxis kommt es allerdings zu einer Sättigung, welche vor allem auf ohmsche Verluste innerhalb der Spulenanordnung zurückzuführen ist. Hierbei geht Energie in Form von Wärme verloren. Folglich bergen ohmsche Verluste mitunter eine erhebliche Überhitzungsgefahr für Spulenanordnungen.
-
Um einer solchen Überhitzung entgegenzutreten, werden derzeit verschiedene Maßnahmen eingesetzt. Aus der
DE 102015118652 A1 bekannt ist eine Spulenanordnung mit einem Kern mit zwei parallelen Schenkeln und zwei die Enden der Schenkel jeweils verbindenden Joche und mindestens einer Spule, die um einen Schenkel gewickelt ist. Hierbei weisen die Joche jeweils eine Durchgangsöffnung auf zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem zwischen den Schenkeln liegenden Innenbereich und dem Außenbereich der Spulenanordnung. Die vorgesehene Durchgangsöffnung hat eine verbesserte Kühlung der Schenkel und der Spulenwicklung zur Folge, da durch die Durchgangsöffnung ein Kühlungsstrom strömen kann. Eine solche Spulenanordnung ist weiterhin vorgesehen mit gespreizten, d.h. voneinander beabstandeten, Windungen.
-
Allgemein besteht das Problem, die Kühlung einer Spulenanordnung auf möglichst verlässliche und langlebige Weise zu gestalten, so dass gleichbleibend hohe Stromdichten im Leiter erreicht werden können.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung bereitzustellen, die eine langfristig verbesserte Kühlung gewährleistet, so dass gleichbleibend hohe Stromdichten im Leiter erreicht werden können. Gleichzeitig soll die Spulenanordnung in ihrer Bauweise kompakt bleiben und eine möglichst einfache und kostengünstige Herstellung ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spulenanordnung mit
- - einem Kern und
- - einer Spule mit mehreren Windungen eines Spulendrahtes um den Kern,
wobei die Windungen und/oder der Spulendraht so ausgestaltet sind, dass der axiale Abstand eines zwei axial benachbarte Windungen umfassenden Windungspaares an mindestens einer Engstelle innerhalb eines Umlaufs um den Kern lokal verringert ist.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Engstellen zwischen den einzelnen Windungen eines Windungspaares stellen Mindestabstände zwischen diesen Windungen dar. Aufgrund ihrer lokalen Begrenzung und der Steifigkeit des Spulendrahtes verhindern sie ausgedehnte Berührungsflächen zwischen den Windungen. Insofern dienen sie als Abstandshalter zwischen den Windungen. Insbesondere wirken die Engstellen einem Verschieben des Spulendrahtes aufgrund der Schwerkraft oder anderer äußerer Einflüssen sowie Eigenvibrationen der Spulenanordnung entgegen und bewirken eine Erhaltung der axialen Windungsabstände. Letztere sind im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit einer Spulenanordnung von besonderer Relevanz. Dies gilt nicht nur für die Induktivität einer Spulenanordnung, sondern auch für deren Kühleigenschaften. So sorgen die Engstellen für gespreizt angeordnete Windungen und damit für Durchströmungsöffnungen zwischen den Windungen. Bei einlagigen Wicklungen ergeben sich weiterhin Durchströmungsöffnungen zum Kern hin. Insgesamt haben die Engstellen damit eine verbesserte Wärmeabfuhr der Spulenanordnung zur Folge. Gerade bei Spulenanordnungen wie sie z.B. in Leistungstransformatoren vorkommen, für welche eine Einsatzdauer von mehreren Jahrzehnten vorgesehen ist, ist ein Erhalt der Windungsabstände besonders entscheidend. Die vorgesehenen Engstellen verhindern gebrauchs- und altersbedingte Verformungen des Spulendrahtes, sodass eine effektive und verlässliche Kühlung auch nach einer längeren Benutzungsdauer gewährleistet ist. Je besser die Spulenanordnung gekühlt ist, desto höher können die Stromdichten im Leiter sein, sodass die Spulenanordnung möglichst effizient betrieben werden kann. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist die Tatsache, dass keinerlei externe Vorrichtungen, insbesondere Kühlvorrichtungen, nötig sind. Dies erlaubt eine kompakte und kostengünstige Bauweise.
-
In einer Ausgestaltung der Spulenanordnung berühren sich die Windungen eines Windungspaares an mindestens einer lokalen Engstelle. Dadurch ergibt sich zwischen den zwei Windungen des Windungspaares eine ringförmige Durchströmungsöffnung um den Kern. Zwar ist diese Durchströmungsöffnung im Berührungsfall an den Engstellen unterbrochen, allerdings ist dadurch aber auch der Mindestabstand zwischen den Windungen schon festgelegt. Bei entsprechender Steifigkeit des Spulendrahtes kann dieser Mindestabstand auch langfristig verlässlich gewährleistet werden. Gleichzeitig ist damit eine verlässliche Kühlmöglichkeit für die Spulenanordnung geschaffen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung befindet sich zwischen mehreren Windungspaaren der Spulenanordnung jeweils mindestens eine Engstelle. Damit wird sichergestellt, dass die Spulenanordnung mehrere Durchströmungsöffnungen enthält und dadurch noch besser gekühlt werden kann. Denkbar ist insbesondere eine Ausgestaltung, bei welcher sich zwischen allen Windungspaaren eine Engstelle befindet. Die Anzahl der Durchströmungsöffnungen ist in diesem Fall maximal, sodass die Spulenanordnung optimal gekühlt werden kann. Als Kühlmedium kommt dabei nicht nur Luft in Frage. Grundsätzlich sind auch andere Kühlmedien wie etwa Öl denkbar. Da Öl ein guter Wärmeleiter ist, kann die Spulenanordnung zur verbesserten Kühlung auch in Öl getaucht sein, so dass die Durchströmungsöffnungen von Öl durchströmt werden um die Wärme der Anordnung abzuführen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Spulendraht innerhalb einer Windung eine lokale Verdickung und/oder eine lokale Biegung in Richtung einer axial benachbarten Windung auf. Je stärker diese Biegung ausgeprägt ist, desto näher kommen sich die beiden benachbarten Windungen bei ansonsten gegebenem Windungsabstand. Die Biegungen können daher als Abstandshalter zwischen diesen Windungen angesehen werden. Wird die Anzahl der Biegungen der Steifigkeit des Spulendrahtes angepasst, wird für die Bereiche außerhalb der Biegung ein größerer Windungsabstand gewahrt, so dass sich hier Durchströmungsöffnungen ergeben durch welche die Spulenanordnung effektiv gekühlt werden kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung zeigen die Verdickungen und/oder Biegungen benachbarter Windungen in die gleiche Richtung. Dadurch wird verhindert, dass sich entgegengesetzte Biegungen direkt gegenüberstehen und damit nicht mehr als Abstandshalter zwischen den Windungen dienen könnten. Bei entsprechender Steifigkeit des Spulendrahtes wird durch diese Ausgestaltung also eine Berührung benachbarter Windungen, abgesehen von den Biegungsbereichen, ausgeschlossen. Insbesondere dann, wenn die Biegungen weiterhin alle gleichförmig und gleich groß sind, werden gleich große axiale Abstände zwischen den Windungen erreicht, also gleich breite Durchströmungsöffnungen. Bei regelmäßiger Anordnung, bewirken die Engstellen dann eine gleichmäßige Kühlung der Spulenanordnung. Nicht zu vernachlässigen in einer solchen Ausgestaltung ist auch die erleichterte Wicklung des Spulendrahtes auf den Kern, da erforderliche Umstellungen bezüglich der Drahtführung um den Kern auf ein Minimum reduziert werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Verdickungen und/oder Biegungen in Umlaufrichtung versetzt zueinander angeordnet. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn die Verdickungen bzw. Biegungen dieselbe Größe und Gestalt haben und weiterhin in die gleiche Richtung zeigen. Durch die Versetzungen kann dann ein Zusammensacken der Windungen verhindert werden. So besitzt beispielsweise jede Windung genau eine Verdickung oder Biegung und der Abstand zwischen zwei Verdickungen bzw. Biegungen in Umlaufrichtung ist größer oder kleiner als ein kompletter Umlauf. Dadurch ist jede der einzelnen Windungen einem Kühlungsstrom zugänglich. Weiterhin wird mit dieser Wicklungsart bewirkt, dass die Verdickungen bzw. Biegungen versetzt zueinander angeordnet sind. So wird der Spulenanordnung mehr Stabilität verliehen. Sind die Abstände der Verdickungen bzw. Biegungen in Umlaufrichtung weiterhin regelmäßig, wird auch das Aufwickeln des Spulendrahtes auf den Kern erleichtert.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Spulenanordnung sind die Verdickungen und/oder Biegungen unterschiedlich groß. Dadurch können auch für unregelmäßig gewickelte Spulen fixe Mindestabstände zwischen den Windungen festgelegt werden. Insbesondere lassen sich dadurch je nach Kühlungsbedarf unterschiedlich große Durchströmungsöffnungen erreichen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der axiale Abstand der Windungen in axialer Richtung bereichsweise ansteigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung, enthält jede der Windungen genau eine Biegung in Richtung einer benachbarten Windung, wobei sich die Größe der Biegungen dem axialen Abstand zur jeweils benachbarten Windung anpasst. In dieser Ausgestaltung steigt also auch die Größe der Biegungen in axialer Richtung bereichsweise an. Damit bewirken die Biegungen, dass sich in axialer Richtung vergrößernde Durchströmungsöffnungen zwischen den Windungen beibehalten werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Spulenanordnung sind die Biegungen als Stufen, Halbsicken und Vollsicken ausgebildet. Aus Stabilitätsgründen sind insbesondere Vollsicken als Abstandshalter zwischen einzelnen Windungen von Vorteil.
-
Ferner ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die Spule aus Rund-, Litze- oder Flachdraht gewickelt ist. Die Wicklung des Spulendrahtes kann sowohl in Rund- als auch in Rechteckwicklung erfolgen.
-
An der Spulenanordnung kann gegebenenfalls auch eine Haltevorrichtung zur Anbringung eines Lüfters montiert werden. Durch die Anbringung eines Lüfters, bevorzugt im Außenbereich der Spule, z.B. unmittelbar vor einer Durchströmungsöffnung, kann aktiv ein zusätzlicher Luftstrom erzeugt werden. Dieser kann die Kühlwirkung verstärken und damit noch höhere Stromdichte ermöglichen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung in perspektivischer Ansicht,
- 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Seitenansicht,
- 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Seitenansicht,
- 4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Seitenansicht,
- 5 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Seitenansicht, und
- 6 eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Seitenansicht.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in perspektivischer Ansicht. 1 zeigt insbesondere einen Kern 2 und rechteckförmig um diesen gewickelte Windungen einer Spule 3. Dabei sind die Abstände zwischen den einzelnen Windungen an jeweils einer Engstelle 4 innerhalb eines jeden Umlaufs um den Kern 2 derart verringert, dass sich benachbarte Windungen an dieser Engstelle 4 berühren. Um eine Ausbildung solcher Engstellen 4 zu erreichen wird der Spulendraht beim Aufwickeln einmal pro Windung v-förmig verformt. Dies kann beispielsweise direkt mittels einer Wickelmaschine erfolgen, welche den Draht beim Umwickeln des Kerns sowieso biegen muss. Allerdings ist hier zu beachten, dass die üblichen Biegungen des Drahtes in Umlaufrichtung erfolgen, während die Biegungen zur Ausbildung von Engstellen in axiale Richtung erfolgen. Außerhalb der Engstellen 4 sind die Windungen gespreizt und mit jeweils gleichem Abstand d zueinander gewickelt. In dieser Ausgestaltung befinden sich alle Engstellen auf einer Seite der quaderförmigen Spule 3. Weiterhin sind die Engstellen 4 in Umlaufrichtung versetzt zueinander angeordnet. Insbesondere wechseln sich die Abstände zwischen den Engstellen 4 in Umlaufrichtung ab, so dass auf eine Engstelle 4 in axialer Richtung eine verbreiterte Stelle und erst dann wieder eine Engstelle 4 folgt. Die Engstellen 4 entstehen in der gezeigten Spulenanordnung 1 durch Vertiefungen im Spulendraht, genauer gesagt durch Vollsicken, welche sich in ihrer Größe und Gestalt gleichen. Folglich zeichnet sich die gezeigte Ausführungsform dadurch aus, dass die Durchströmungsöffnungen 5 zwischen den Windungen jeweils gleich groß sind, sodass eine gleichmäßige Kühlung gewährleistet ist.
-
Die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 bestehen aus typischen Materialien für Spulenanordnungen 1, wie sie beispielsweise für Drosselspulen oder Transformatoren verwendet werden. Je nachdem in welcher Richtung die Spule 3 von Strom durchflossen wird, richten sich die Pole des im Kern 2 entstehenden Magnetfeldes aus. Dieses Magnetfeld wird durch die Engstellen 4 innerhalb der Wicklung der Spule 3 und die sich dadurch ergebenden bzw. erhaltenen Durchströmungsöffnungen 5 nur unwesentlich beeinflusst.
-
Der Kern 2 besteht typischerweise aus einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität. Er kann zum Beispiel aus einem Stapel dünner, voneinander isolierter Eisenbleche gebildet sein oder aus einem massiven Stück bestehen. Der Kern 2 ist weiterhin bevorzugt so ausgestaltet, dass seine axiale Ausdehnung größer ist als seine radiale Ausdehnung. In der gezeigten Ausgestaltung ist der Kern 2 quaderförmig. Grundsätzlich sind aber auch andere Kernformen, wie etwa Zylinderformen, denkbar.
-
Der Spulendraht ist wie in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt einlagig gewickelt, da dies die beste Wärmeabfuhr ermöglicht. Weiterhin ist der in dieser Ausführungsform verwendete Flachdraht bevorzugt hochkant um den Kern 2 gewickelt. Bei einer hochkant gewickelten Wicklung sind mehr Leiter in einer Lage möglich, weshalb diese Wickeltechnik hier vorteilhaft angewendet werden kann. Alternativ kann der Spulendraht aber auch flachkant um den Kern gewickelt werden. Als Material für den Spulendraht kommen vorzugsweise sowohl Kupfer als auch Aluminium in Betracht.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in Seitenansicht. 2 zeigt einen Kern 2, um welchen eine Spule 3 gewickelt ist. Dabei weist der Spulendraht in jeder Windung genau eine Biegung 6 in Richtung der unteren Stirnseite der Spulenanordnung 1 auf, sodass zwischen allen Windungen genau eine Engstelle 4 resultiert. An diesen Engstellen 4 nähern sich die ansonsten mit Abstand di beabstandeten Windungen jeweils auf den Abstand ei. Beispielsweise ist der Abstand der untersten beiden Windungen grundsätzlich durch d1 bestimmt, verringert sich aber im Bereich der Engstelle 41 auf e1 . Die Biegungen 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Vollsicken ausgebildet. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform sind die Sicken aber alle unterschiedlich groß. Insbesondere steigt die Tiefe der Sicken in Richtung der unteren Stirnseite von Windung zu Windung kontinuierlich an. Analog wächst der axiale Abstand zwischen den Windungen in den Bereichen außerhalb der Sicken zur unteren Spulenseite an, d.h. d1 ist größer als d2 , d2 ist größer als d3 usw. Für den Fall, dass die Windungen zusammensacken, wirken die Sicken wie Abstandshalter zwischen den Windungen und ermöglichen vor allem im unteren Spulenbereich weiterhin erweiterte Kühlungskanäle 5.
-
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in Seitenansicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform insofern, als dass sich Windungen an den Engstellen 4 berühren. Darüber hinaus werden die Abstände der einzelnen Windungen in der zweiten Ausführungsform durch Vollsicken gewahrt, während die jeweiligen Engstellen 4 in 3 durch Stufen im Spulendraht entstehen.
-
4 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in Seitenansicht. In dieser Ausführungsform ist der Spulendraht so um den Kern 2 gewickelt, dass die Abstände zwischen den einzelnen Windungen im oberen Spulenbereich kleiner sind als im unteren, insgesamt aber unregelmäßig ausfallen. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Abstände zwischen den Windungen durch Biegungen 6 im Spulendraht gehalten, welche zunächst von der eigentlichen Windungsrichtung wegzeigen und dann wieder in diese übergehen. Die Windungen berühren sich nur im Bereich dieser Schrägen, d.h. die Engstellen 4 sind Berührungsstellen der ansonsten freiliegenden Windungen. Auch hier können die Biegungen, die zu den Schrägen im Draht führen, bereits von der Wickelmaschine selbst ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, dass die Spule zunächst locker gewickelt wird und die Biegungen erst nachträglich eingebracht werden.
-
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in Seitenansicht. 5 zeigt insbesondere einen Kern 2 und ein um selbigen gewickelten Spule 3. Dabei weist jede Windung des Spulendrahtes auf der gezeigten Seite genau eine Biegung 6, in diesem Fall eine Vollsicke, auf. Im Gegensatz zu allen bisherigen Ausführungsformen sind die Sicken in diesem Ausführungsbeispiel in Umlaufrichtung nicht versetzt angeordnet. Stattdessen befinden sich alle Sicken auf einer Linie in axialer Richtung. Die Sicken sind alle gleich geformt und besitzen dieselbe Größe. Um benachbarte Windungen dennoch auf Abstand zu halten, zeigen axial benachbarte Sicken in entgegengesetzte Richtungen. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der Abstand benachbarter Windungen auf die doppelte Sickentiefe gesteigert werden kann. Gleichzeitig hat diese Art der Wicklung zur Folge, dass sich kleine und große Windungsabstände in axialer Richtung abwechseln.
-
6 zeigt eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1 in Seitenansicht. 6 zeigt einen Kern 2 samt Spule 3, wobei die Spule schräg um den Kern gewickelt ist. Jede Windung des Spulendrahtes hat genau zwei Biegungen 6 in dieser Spulenanordnung. Dabei führt eine erste Biegung 61 den Draht in einem spitzen Winkel entgegen der Umlaufrichtung zurück wohingegen die gleich darauf folgende zweite Biegung 62 in gleichem Winkel den Draht wieder in seine eigentliche Laufrichtung bringt. Dieses Biegungsmuster wird in den anderen Windungen so fortgesetzt, dass gleichartige Biegungen in axialer Richtung versetzt zueinander stehen. Das heißt in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere, dass der Abstand in Umlaufrichtung zwischen zwei ersten Biegungen 61 bzw. zwischen zwei zweiten Biegungen 62 stets kleiner ist als ein kompletter Umlauf. Weiterhin sind in der vorliegenden Ausführungsform alle Biegungen 6 gleich groß und benachbarte Windungen berühren sich nur an Biegungsstellen 6.
-
Es versteht sich, dass die gezeigten Ausführungsformen lediglich beispielhaft zu verstehen sind und dass weitere Variationen hinsichtlich der Ausgestaltung der Art der Wicklung, der Art des Spulendrahtes sowie des Kerns möglich sind ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Insbesondere sind Variationen bezüglich der Anzahl der Windungen und Lagen sowie der Drahtform und der Kernform denkbar. Weiterhin kommen verschiedene Materialien für den Kern und die Spule in Betracht. Die gezeigten Ausführungsformen sollen demnach nicht als schutzeinschränkend verstanden werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015118652 A1 [0005]
