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Die Erfindung betrifft zunächst eine
Vorrichtung zur induktiven Ankopplung von elektrischen Signalen
(PLC-Signalen) an eine insbesondere stromdurchflossene, gegebenenfalls
mit einer Isolierumhüllung
versehene Spannungsversorgungsleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Um eine Daten- oder Signalübertragung über ein
vorhandenes Spannungsversorgungsnetz zu realisieren, sind bereits
eine Vielzahl von Anstrengungen unternommen worden. Ein besonderer
Aspekt bezieht sich dabei auf die Ankopplung der PLC-(= Powerline
Communication) Signale auf Hochspannungsleitungen, Mittelspannungsleitungen
und Niederspannungsleitungen. Der Begriff Signalankopplung soll
dabei im Sinne der Erfindung eine bi-direktionale Datenübertragung
ermöglichen,
also sowohl das Aufspielen von Signalen auf die Spannungsversorgungsleitung
als auch das Abkoppeln oder Entkoppeln der auf der Spannungsversorgungsleitung
vorhandenen, zu übertragenden
Signale.
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Ziel der Erfindung ist es, die Ankoppelstelle weiterzuentwickeln,
wobei die Art der Signalankopplung induktiv ist. Induktive Signalankopplung
bedeutet, dass die Ankopplung mittelbar durch magnetische Erregung
eines magnetischen Elementes erfolgt und nicht auf kapazitive Art
oder durch unmittelbare elektrische Kontaktierung der Spannungsversorgungsleitung
stattfindet.
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Die Ankopplung von Signalen an eine
Spannungsversorgungsleitung bereitet u.a. dann Probleme, wenn die
Spannungsversorgungsleitungen große Querschnitte aufweisen,
wie dies bei Hoch-, Mittel- und Niederspannungsleitungen der Fall
ist. Soll eine Signalankopplung beispielsweise im Bereich eines
Transformatorstation erfolgen, ist darüber hinaus der zur Verfügung stehende
Einbauraum für
eine derartige Vorrichtung eng begrenzt.
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Es ist schließlich bekannt, eine Signalankopplung
unmittelbar durch eine elektrische Kontaktierung der Spannungsversorgungsleitung
vorzunehmen. Hierbei muss jedoch die mit einer Isolierumhüllung versehene
und teilweise von sehr hohen Strömen
bis zu einigen 100 Ampere durchflossene Spannungsversorgungsleitung
von hochspezialisierten Fachleuten bearbeitet werden, die eine Abisolierung vornehmen.
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Darüber hinaus ist bereits angedacht
worden, Spannungsversorgungsleitungen mit sogenannten Klapp-Ferriten
zu umgreifen. Auf diese Weise ist zwar bereits eine induktive Signalankopplung
möglich.
Problematisch ist jedoch eine Sättigung
dieser Anordnung, die bei den hohen, durch die Spannungsversorgungsleitung
fließenden
Strömen
von vielleicht 300 oder 400 Ampere zu einer nicht praktikablen,
nur sehr eingeschränkten Nutzung
der Vorrichtung aufgrund eines nur sehr schmalen, einsetzbaren Frequenzbandes
führt.
Außerdem
sind bei derartigen Klapp-Ferriten regelmäßig zusätzliche kapazitive Bauelemente
vorgesehen, so dass bei diesen angedachten Ankoppelstellen nur in
einem sehr schmalbandigen Resonanzbereich, der durch die Induktivität des Klapp-Ferrites
gemeinsam mit dem kapazitiven Bauelement bestimmt wird, eine Signalübertragung
möglich
ist. Schließlich
können
die Klapp-Ferrite auch nicht zu voluminös ausgelegt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass sie eine verbesserte
induktive Ankopplung von elektrischen Signalen auf eine Spannungsversorgungsleitung
ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Anspruches 1, insbesondere mit denen des Kennzeichenteils, und
ist demgemäß gekennzeichnet
durch eine im wesentlichen ringförmige,
aus mindestens zwei Teilen zusammensetzbare Schelle aus nanokristallinem
oder amorphem, ferromagnetischem Material.
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Das Prinzip der Erfindung besteht
somit zunächst
darin, eine Schelle aus einem besonderen Material zu verwenden.
Im Gegensatz zu Ferriten, die die gewünschten magnetischen Eigenschaften für eine optimierte
Ankopplung von Signalen an eine Spannungsversorgungsleitung nicht
erfüllen,
sind nanokristalline oder amorphe, ferromagnetische Materialien
hierfür
in besonderer Weise geeignet.
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Derartige Materialien, die in sehr
aufwendiger Weise, insbesondere mittels Rasch-Erstarrungstechnologie
durch Gießen
einer Schmelze mit extrem rascher Abkühlung, direkt zu einem dünnen Band hergestellt
werden, sind beispielsweise bei der Firma Vakuumschmelze unter den
Handelsnamen Vitrovac und Vitroperm erhältlich. Weitere Informationen
sind beispielsweise unter www.vacuumschmelze.de erhältlich.
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Es handelt sich dabei um weichmagnetische Materialien,
das heißt
solche Materialien, bei denen die Hysterese-Schleife besonders schmal
ausgebildet ist.
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Nanokristalline oder amorphe, ferromagnetische
Materialien bieten beispielsweise eine besonders hohe Anfangspermeabilität, die beispielsweise im
Bereich von 20000 oder 40000, aber auch darüber liegen kann. Eine hohe
Anfangspermeabilität,
also ein maximales μr bei initialer, erstmaliger magnetischer
Erregung durch einen Strom (also die Steigung einer Neukurve in
einem B-H-Diagramm), ist dabei von besonderer Wichtigkeit.
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Der Begriff amorph drückt dabei
eine besondere Ordnungseigenschaft des ferromagnetischen Materials
aus, und beschreibt die Tatsache, dass in diesem Material keinerlei
Fernordnung oder Kristallstruktur vorhanden ist. Dieser amorphe
Zustand entspricht dem Materialzustand unmittelbar nach dem Schockfrieren.
Durch einen nachfolgenden Wärmebehandlungs-
oder Temper-Prozess findet eine Zustandsänderung aus dem amorphen in
einen nanokristallinen Zustand statt. Nanokristallin bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass die Korngrößen der magnetischen
Bezirke im Nanometerbereich (mittlerer Durchmesser 10 bis 20 nm)
liegen. Nanokristalline Werkstoffe sind darüber hinaus üblicherweise durch eine Zwei-Phasen-Struktur
gekennzeichnet, in der ein feinkristallines Korn mit dem oben genannten Korndurchmesser
in eine amorphe Restphase eingebettet ist.
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Neben sehr hohen Sättigungsinduktionen spielt
die Anfangspermeabilität
als physikalische Größe und messbares
Merkmal dieser Materialien eine besondere Rolle. Beispielsweise
kann durch Verwendung derartiger Materialien mit derartig hohen Anfangspermeabilitäten, wie
oben angeführt,
bei einem angenommenen, minimalen Kopplungsfaktor von – 3 dB und
einer unteren Übertragungsfrequenz von
2 MHz noch eine Induktivität
L der Vorrichtung von 4 μH
erreicht werden.
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Weitere Einzelheiten zu der Art des
für die Vorrichtung
verwendeten Materials sind weiter unten beschrieben.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung
sieht vor, dass sich die Schelle aus nanokristallinem oder amorphem,
ferromagnetischen Material aus mindestens zwei Teilen zusammensetzt
und ringförmig
ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Vorrichtung möglich, die
die Spannungsversorgungsleitung auf ihre Außenmantelfläche umgreift, und aufgrund
der Zertrenn- oder Zerlegbarkeit bzw. Zusammensetzbarkeit ohne weiteres
montierbar, nämlich
auf die Spannungsversorgungsleitung aufsetzbar ist. Die gegebenenfalls
vorhandene Isolierumhüllung
der Spannungsversorgungsleitung muss hierfür nicht verletzt werden. Die
Montage wie auch die Demontage der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit
von Fachpersonal durchgeführt
werden, welches nicht die für
eine Abisolierung erforderlichen Kenntnisse besitzen muss.
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Gegebenenfalls können, um den Zusammenhalt der
wenigstens zwei Teile im Gebrauchszustand zu gewährleisten, Befestigungselemente
wie beispielsweise Schraubverbindungen, vorgesehen sein. Es können alternativ
aber auch Klebestreifen verwendet werden, da die Schelle keinen
besonderen mechanischen Kräften
ausgesetzt ist.
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Als Spannungsversorgungsleitung im
Sinne dieser Erfindung wird beispielsweise auch eine Mittelspannungsleitung
verstanden, die eine innere, stromleitende Seele und eine äußere, elektrisch
isolierte Abschirmung beispielsweise aus einem Geflecht metallischer
Fäden aufweist.
Bei diesen sogenannten Koax-Kabeln kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine Ankopplung der Signale unmittelbar auf die Abschirmung erfolgen,
und eine Weiterleitung digital durch die Abschirmung hindurch. Es kann
aber auch vorgesehen sein, eine Signalankopplung zunächst auf
die Abschirmung vorzunehmen und durch eine besondere Schaltung das
Signal zur Weiterleitung auf die innere Seele, also den Kern des Koax-Kabels,
zu übertragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung bietet die Schelle aufgrund ihrer geometrischen Struktur
darüber
hinaus die Möglichkeit,
eine Signalankopplung an eine Spannungsversorgungsleitung auch an
solchen Stellen vorzunehmen, an denen die Spannungsversorgungsleitung
stark gekrümmt
ist. Aufgrund einer schellenartigen Ausbildung mit einer vorzugsweise
nur geringen Dicke spielt der Krümmungsradius
eine untergeordnete Rolle.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist
die Schelle aus zwei im wesentlichen halbkreisförmigen Teilen zusammengesetzt.
Dies ermöglicht
einerseits eine Anordnung mit einer geringen Anzahl von Bauteilen,
so dass die Handhabbarkeit erleichtert ist. Andererseits sind bei
dieser Ausgestaltung lediglich zwei Trennschnitte, beispielsweise
entlang einer gemeinsamen Durchmesserebene eines im wesentlichen
kreisringförmigen
Bandwickels erforderlich, so dass der Bandwickel nur minimal in
seiner Struktur geschädigt
wird.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Schelle aus einem durchgehenden
ringförmigen
Bandwickel gebildet, der in wenigstens zwei Teile unterteilt ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht unter anderem die Verwendung
herkömmlicher,
kommerziell erhältlicher
kreisringförmiger
Bandwickel aus nanokristallinem oder amorphem, ferromagnetischem
Material.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist der Bandwickel wenigstens entlang
einer Ebene geschnitten. Ein Schnitt entlang einer Ebene, insbesondere
entlang einer gemeinsamen Durchmesserebene, bietet die Möglichkeit,
die Gefahr einer Beschädigung
der inneren Struktur des Bandwickels gering zu halten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften,
Ausgestaltung der Erfindung weist der Bandwickel eine insbesondere
vor dem Schneiden angebrachte Imprägnierung nach Art einer Vergussmasse
auf. Das Vorsehen einer Vergussmasse bietet die Möglichkeit, den
Bandwickel in seiner Struktur vor dem Schneiden zu verstärken, insbesondere
zu versteifen. Ein Schneiden eines derartig verstärkten Bandwickels schafft
dabei überhaupt
erst einen Zustand des Bandwickels, indem dieser in zwei Teile zertrennt werden
kann. Die Vergussmasse kann dabei, je nach Anlieferungszustand des
Bandwickels, in Freiräume, insbesondere
in Poren des Bandwickels und in Zwischenräume zwischen den Lagen eindringen.
Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Vergussmasse im wesentlichen
an den Außenflächen, also
beispielsweise an der Außenmantelfläche und
an den Ringstirnflächen
des Bandwickels angeordnet wird und den Bandwickel auf diese Weise
korsettartig einfasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Vergussmasse ein Harz, insbesondere
ein heißhärtendes
Epoxydharz oder ein temperaturbeständiges Polyesterharz. Diese
Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht
die Verwendung preiswerter und kommerziell erhältlicher Vergussmassen bei
besonders guter Verarbeitbarkeit und Handhabbarkeit.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist der Bandwickel vor der Imprägnierung
mit Vakuum beaufschlagt worden und die Vergussmasse in Freiräume, z.
B. in Poren des Bandwickels eingedrungen. Das Vorsehen von Vakuum
vor der Imprägnierung
bietet die Möglichkeit
einer besonders guten und sicheren Korsettbildung durch die Vergussmasse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung weist die Schelle im zusammengesetzten
Zustand im Fügungsbereich
jeweils zweier benachbarter Teile einen dünnen Spalt auf. Der Zusammenfügungsbereich,
also der Bereich, in dem jeweils zwei benachbarte Teile nahezu aneinander
stoßen,
ist gemäß dieser
vorteilhaften Ausgestaltung mit einem dünnen, insbesondere definierten Spalt
versehen. Der Spalt kann beispielsweise eine Breite in der Größenordnung
von 10 μm
besitzen und mit Luft oder mit Papier, gegebenenfalls auch mit einem
Klebestreifen gefüllt
sein. Wichtig ist, dass der Spalt mit einem unmagnetischen und nichtleitenden Material
gefüllt
ist. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang von Wichtigkeit, dass
die Schnittflächen
des Bandwickels im montierten Zustand der Schelle nicht unmittelbar
aneinander liegen. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch,
dass die Schnittflächen
besonders glatt oder eben ausgebildet sind und keine Fransenbildung
zeigen, die aus magnetischen Gründen
nachteilig wäre.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus
ein Verfahren zur Bearbeitung eines im wesentlichen ringförmigen Bandwickels
aus nanokristallinem oder amorphem, ferromagnetischem Material gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 16.
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Ein derartiges Bearbeitungsverfahren
ist nicht bekannt. Die kommerziell erhältlichen, oben angeführten Bandwickel
sind üblicherweise
sehr spröde,
und nach einer Wärmebehandlung,
also nach ihrer Überführung aus
dem amorphen in den nanokristallinen Zustand noch stärker versprödet. Der
hergestellte Bandwickel stellt auf diese Weise üblicherweise die Endform, also
den fertigen bearbeiteten Zustand des Bandwickels dar. Die bekannten
Bandwickel werden üblicherweise
in toroidalen Behältnissen transportiert
und finden Verwendung als Speicherdrosseln. Gegebenenfalls kann
hier noch ein Sintermaterial zusätzlich
angebracht werden.
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht
darin, ein Bearbeitungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
16 bereitzustellen, welches die Verwendung des bearbeiteten Bandwickels
in einer Vorrichtung zur induktiven Ankopplung von elektrischen Signalen
an eine insbesondere stromdurchflossene, gegebenenfalls mit Isolierumhüllung versehene Spannungsversorgungsleitung
ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Anspruches 16, insbesondere mit den Merkmalen des Kennzeichenteils,
und ist demgemäß gekennzeichnet
durch die Schritte
- a) Einbringen des Bandwickels
in ein topfartiges, evakuierbares Behältnis,
- b) Imprägnieren
des Bandwickels mit einer Vergussmasse,
- c) Zertrennen des Bandwickels in wenigstens zwei Teile,
wobei
der Bandwickel wenigstens im Bereich der Trennstellen imprägniert wird.
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Das Prinzip der Erfindung besteht
somit im wesentlichen darin, einen herkömmlichen, fertigen, im wesentlichen
ringförmigen
Bandwickel, der aus einer Vielzahl von Wickellagen nanokristallinen
oder amorphen, ferromagnetischen Materials besteht, zunächst in
ein Behältnis
einzubringen. Anschließend kann
eine Vergussmasse in das Behältnis
eingebracht werden, mit der der Bandwickel imprägniert oder getränkt wird.
Die Vergussmasse wird insbesondere, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung das Behältnis
evakuierbar ist und nach dem Einbringen des Bandwickels in das Behältnis und
vor dem Imprägnieren
des Bandwickels der Bandwickel mit einem Vakuum beaufschlagt wird, aufgrund
des vorhandenen Vakuums in die Freiräume, also gegebenenfalls in
Spalte oder Poren des Bandwickels hineingesogen. Auch wenn kein
Vakuum angebracht wird, besteht grundsätzlich die Möglichkeit,
durch die Anbringung der Vergussmasse für eine Versteifung zu sorgen,
die zumindest die Oberflächen,
also die Außenseiten
des Bandwickels mit Vergussmasse belegt. Die Anbringung eines Vakuums
ist jedoch deutlich vorteilhafter.
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Nach dem Imprägnieren kann der Bandwickel
in wenigstens zwei Teile zertrennt, beispielsweise geschnitten werden.
Es genügt
dabei prinzipiell, wenn der Bandwickel wenigstens im Bereich derjenigen
Stellen imprägniert
wird, an denen nachfolgend eine Trennung stattfindet.
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Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren stellt
eine Möglichkeit
bereit, den Bandwickel zunächst
mit einem Korsett in Form der Vergussmasse zu versehen, die für eine Versteifung
des Bandwickels sorgt, so dass dieser nachfolgend zertrennt werden
kann. Das Anlegen eines Vakuums an den Bandwickel vor dem Verfahrensschritt
des Imprägnierens
sorgt dabei für
ein besonders enges Anliegen der korsettartigen Vergussmasse bzw.
für ein
gewisses Eindringen, soweit erforderlich. Das ursprünglich sehr
spröde
und nicht ohne weiteres zu bearbeitende, für eine nachfolgende Bearbeitung
nicht geeignete und nicht vorgesehene nanokristalline oder amorphe,
ferromagnetische Material wird auf diese Weise überhaupt in eine Form gebracht,
in der der Bandwickel zertrennbar ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den nichtzitierten Unteransprüchen sowie anhand der nun folgenden
Beschreibung eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch
in teilgeschnittener Ansicht einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur induktiven Ankopplung von elektrischen Signalen mit einer Schelle
sowie eine mit einer Isolierumhüllung
versehene Spannungsversorgungsleitung,
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2 die
Anordnung gemäß 1 etwa gemäß Ansichtspfeil
II in einer perspektivischen, schematischen Ansicht,
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3 in
vergrößerter Darstellung,
einen Fügungsbereich
zwischen zwei eine Schelle bildenden Teilen etwa gemäß Teilkreis
III in 1, und
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4 schematisch,
in teilgeschnittener Ansicht etwa gemäß Schnittlinie IV-IV in 1, unter Weglassung der
Spannungsversorgungsleitung, und nicht maßstabsgetreu, einen bearbeiteten
Bandwickel, wobei gestrichelt zusätzlich ein evakuierbares Behältnis dargestellt
ist.
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Die in ihrer Gesamtheit in den Figuren
mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur induktiven Ankopplung von elektrischen
Signalen wird zunächst
anhand der 1 wie folgt
erläutert:
Ein lediglich schematisch angedeuteter Signalgeber/Signalempfänger-Baustein 11 sendet
bzw. empfängt
elektrische Signale, insbesondere hochfrequente Signale. Üblicherweise handelt
es sich um Signale eines Frequenzbereiches etwa zwischen 2 und 20
MHz, in dem Daten übertragen
werden. Die elektrischen Signale sollen auf eine Spannungsversorgungsleitung 12 aufgespielt
werden bzw. von dieser Leitung 12 abgegriffen werden, so
dass eine Datenübertragung über das
Spannungsversorgungsnetz durchgeführt werden kann. Die Spannungsversorgungsleitung 12 ist
beispielsweise eine Hochspannungsleitung, eine Mittelspannungsleitung
oder eine Niederspannungsleitung, auf der typischerweise Wechselspannung
im Kilovoltbereich mit einer niedrigen Frequenz, beispielsweise
50 bis 60 Hz anliegt. Da die Signale Hochfrequenzsignale sind, beeinträchtigen
sich Signalübermittlung
und Bereitstellung von elektrischer Leistung durch das Spannungsversorgungsnetz,
welches primär
das Ziel des Spannungsversorgungsnetzes ist, nicht.
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Gemäß 1 ist die Spannungsversorgungsleitung 12 mit
einer Isolierumhüllung 15 versehen.
Dies muss nicht zwingend der Fall sein, ist aber bei den hier betreffenden
Spannungsversorgungsleitungen üblich.
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Gemäß 1 ist die Leitung 12 auf ihrer
Außenmantelfläche von
einer Schelle 13 umgriffen, die aus zwei im wesentlichen
halbkreisförmigen
Elementen 16a und 16b besteht.
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Aus der schematischen, perspektivischen Ansicht
gemäß 2 wird deutlich, dass die
Schelle 13 ein im wesentlichen kreisringförmiger .
Körper
ist. Zwischen der Innenumfangsfläche 36 der
Schelle 13 und der Außenmantelfläche 37 der
Spannungsversorgungsleitung 12 (1) befindet sich ein ringförmiger Freiraum 38,
dessen Anordnung und Größe nicht
maßgeblich
ist. Entscheidend ist jedoch, dass eine Signalleitung 14,
die mit dem Signalgeber/Signalempfänger-Baustein 11 verbunden
ist, nach Art einer halben Wicklung die Schelle 13 umgreift
und hierfür
durch den Ringfreiraum 38 hindurchtritt.
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Das physikalische Grundprinzip einer
derartigen induktiven Ankopplung von Signalen auf eine Spannungsversorgungsleitung 12 ist
dabei wie folgt:
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Hochfrequente Signale, die sich auf
der Signalleitung 14 befinden, rufen eine magnetische Erregung
der Schelle 13 hervor, da diese aus ferromagnetischem Material
besteht, wobei auf das Material selbst später noch detailliert eingegangen
wird. Die magnetische Erregung gibt die Schelle 13 anschließend an
die Spannungsversorgungsleitung 12 weiter, und zwar in
Form wiederum von elektrischen Impulsen (Spannungen). Die Schelle
fungiert somit nach Art eines Transformators, wobei die Signalleitung 14 und
die Spannungsversorgungsleitung 12 eine Primärwicklung
und entsprechend eine Sekundärwicklung
eines Transformators mit der Wicklungszahl 1 darstellen.
Genaugenommen umgreift die Signalleitung 14 die Schelle 13 zwar
nur mit einer halben Wicklung und die Stromleitung 12 aufgrund
ihrer großen,
angenähert
unendlichen Länge
die Schelle 13 ebenfalls nur nach Art einer halben Wicklung.
Eine Betrachtung derart, dass Stromleitung 12 und Signalleitung 14 tatsächlich eine
ganze Wicklung darstellen, ist bei dieser Geometrie jedoch zulässig.
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Gewünscht wird bei dieser Anordnung
einerseits ein möglichst
breitbandiger Übertragungsbereich,
das heißt
nur eine sehr geringe Dämpfung
von Signalen in einem großen
Frequenzbereich. Mit anderen Worten ist ein gleichmäßiger Kopplungsfaktor über einen
großen
Frequenzbereich vorteilhaft.
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Andererseits ist es von besonderer
Wichtigkeit, dass die ständig
an der Spannungsversorgungsleitung 12 verbleibende Schelle 13 die
Grundfunktion des Spannungsversorgungsnetzes nicht behindert. Hier
ist insbesondere anzumerken, dass durch die Spannungsversorgungsleitung 12 Ströme von bis
zu einigen 100 A, typischerweise etwa bis 300 oder 400 A, fließen, so
dass hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften der Schelle 13 besondere
Anforderungen zu stellen sind, und insbesondere eine Sättigung verhindert
wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Schelle 13 aus
nanokristallinem oder amorphem, ferromagnetischem Material besteht.
Ein derartiges Material ist eine Legierung, die als weichmagnetischer
Werkstoff bezeichnet wird. Weichmagnetisch bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass die Hysterese-Kurve, also die Kurve in einem B-H-Diagramm, eine besonders
schmale Hysterese-Schleife darstellt. Je schmaler die Hysterese-Schleife
ist, also je geringer die Fläche
zwischen den beiden Zweigen ist, die einer Auf- bzw. Abbewegung
(z.B. eines Wechselstroms durch die Spannungsversorgungsleitung 12 hindurch)
entsprechen, desto geringer sind elektrische Verluste, die eine
Umwandlung in Wärmeenergie
bedeuten.
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Die Legierungszusammensetzung dieser Materialien
bildet sich üblicherweise
aus den Basiselementen Eisen, Kobalt und Nickel sowie zusätzlichen
Elementen, wie Silizium, Bor, Mangan, Kupfer, Niobium, Molybdän oder Chrom.
Die genaue Art der Zusammensetzung, sowohl hinsichtlich der Art
der Bestandteile und deren Anteile soll hier nicht weiter besprochen
werden. Nanokristalline oder amorphe, ferromagnetische Materialien
sind jedoch kommerziell, beispielsweise von der Firma Vakuumschmelze erhältlich.
Die Herstellung derartiger Materialien ist äußerst kompliziert, wobei anstelle
eines konventionellen Schmelzens mit anschließendem Walzprozess, wie dies
bei kristallinen Werkstoffen der Fall ist, mittels Rascherstarrungstechnologie
durch Gießen einer
Schmelze mit extrem rascher Abkühlung
das Material direkt zu einem dünnen
Band hergestellt wird. Die Bänder
werden üblicherweise
bei sehr tiefen Temperaturen, beispielsweise stickstoffgekühlt, auf
Spulen zu einem Bandwickel (Ringbandkern) gewickelt.
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Ein solcher Bandwickel ist zunächst schematisch
in der 4 dargestellt
und mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. Ein Bandwickel 23 besteht
aus einer Vielzahl von Wickellagen 19, die ausgehend von
einer radial innersten Wickellage 20 mit einem nicht dargestellten
radialen inneren Ende bis zu einer radial äußeren Wickellage 21 mit
einem ebenfalls nicht dargestellten äußeren radialen Ende gewickelt sind.
Die kommerziell erhältlichen
Bandwickel weisen üblicherweise
Banddicken im μm-Bereich
auf, das heißt
eine Wickellage 19 eines derartigen Bandwickels 23 hat
etwa eine Banddicke von beispielsweise 23 μm (etwa 20 bis 25 μm). Ein Bandwickel 23,
wie er kommerziell erhältlich
ist, ist extrem spröde
und ohne weiteres nicht bearbeitbar. Das Material des Bandwickels,
also nanokristallines oder amorphes, ferromagnetisches Material
wird erfindungsgemäß zur Herstellung
einer Schelle 13 verwendet. Zunächst soll daher das Bearbeitungsverfahren
zur Bearbeitung eines Bandwickels 23 aus nanokristallinem oder
amorphem, ferromagnetischem Material erläutert werden.
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Gemäß 4 ist der Bandwickel 23 ein kreisringartig
ausgebildeter Körper,
der zunächst
in einem in der rechten Hälfte
der 4 lediglich schematisch
angedeuteten Becherkörper 22 angeordnet ist.
Der Becherkörper 22 hat
einen im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt mit einer Bodenwand 39 und zwei von den U-Schenkeln 40a, 40b gebildeten
Seitenwänden,
so dass eine ringnutartige Aufnahme für den Bandwickel 23 bereitgestellt
ist. Im Bereich der Seitenwände
sind darüber
hinaus, wie dies die linke Hälfte
der 4 deutlich macht,
Silikonpolsterelemente 24a und 24b vorgesehen,
die den verletzlichen Bandwickel 23 weich lagern. Der Übersichtlichkeit
halber ist die bezüglich
einer Mittellängsachse
M rechte Hälfte
der 4 lediglich schematisch
angedeutet und die linke Hälfte
der 4 detaillierter
dargestellt.
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An eine in das Material des Bandwickels 23 eingreifende
Bearbeitung des Bandwickels 23 ist aufgrund des spröden, höchst zerbrechlichen
Zustandes des Bandwickels nicht zu denken.
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Erfindungsgemäß wird der Bandwickel 23 zur
Bearbeitung gemeinsam mit dem Becher 22 in ein evakuierbares
Behältnis 25 eingebracht,
welches in 4 gestrichelt
dargestellt ist. Das evakuierbare Behältnis 25 weist ein
Bodenelement 27, einen mittig, zentral angeordneten Dorn 26 und
Seitenwände 28 auf,
so dass ein ringnutartiger Aufnahmeraum für den Becher 22 und
den Bandwickel 23 bereitgestellt wird. Das Behältnis 25 wird
nunmehr durch ein Deckelelement 29 verschlossen.
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Ein schematisch angedeuteter Luftauslass 30 dient
dem Anschluss einer Pumpe, so dass der Innenraum des Behältnisses 25 evakuiert
werden kann. Ein lediglich schematisch angedeuteter, mit dem Bezugszeichen 31 bezeichneter
Einlass dient dem Einbringen einer Vergussmasse 32. Die
Vergussmasse 32 ist insbesondere ein Harz, beispielsweise
ein heißhärtendes
Zweikomponenten-Epoxydharz. Die Vergussmasse 32 dringt
in den evakuierten Innenraum des Behältnisses 25 ein und
kann nun sämtliche
im Bereich des Bandwickels 23 vorhandenen Freiräume ausfüllen. Beispielsweise
kann die Vergussmasse 32 in Freiräume zwischen zwei einzelnen,
benachbarten Wickellagen 19 eindringen und gegebenenfalls
auch in kleinste Poren. Die Anordnung der Ein- und Auslässe 31, 30 ist
selbstverständlich
lediglich schematisch zu verstehen.
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Nach dem Aushärten der Vergussmasse 32 stellt
diese einen den Bandwickel 23 umhüllenden Körper nach Art eines Versteifungsgerüstes bereit. Nunmehr
kann das Deckelelement 29 des Behältnisses geöffnet und der vergossene Bandwickel 23 entnommen
werden. Aufgrund des entlang der Mittellängsachse M ausgerichteten Dorns 26 weist
der vergossene Bandwickel 23 entsprechend eine zentrale Innenausnehmung
auf, die im Gebrauchszustand der Vorrichtung 10 von der
Spannungsversorgungsleitung 12 gemäß den 1 und 2 durchgriffen
wird. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellung
der 1 bis 4 nicht maßstäblich zu verstehen
sind sondern hinsichtlich ihrer geometrischen Verhältnisse
lediglich in illustrierender Weise die Erfindung schildern soll.
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Der vergossene Bandwickel 23 kann
nunmehr mittels einer diamantbestückten Säge, alternativ beispielsweise
auch mittels einer Wasserstrahl-Schneidanlage, gegebenenfalls mit
Laser- oder Plasmastrahl, entlang einer Schneidebene E, also etwa
entlang der Papierebene der 4,
in zwei halbkreisförmige
Hälften 16a und 16b geschnitten werden.
Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass Werkstoffbereiche der Vergussmasse 32 im
Bereich der Ringstirnflächen
34a und 34b des
Bandwickels 23 anliegen und auf diese Weise ein Ausbrechen
der Wickellagen 19 beim Schneiden sicher verhindern.
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Üblicherweise
wird darüber
hinaus für
die Vergussmasse ein Werkstoff gewählt, der eine hohe Glasübergangstemperatur,
vorteilhafterweise über 100°C aufweist.
Auf diese Weise tritt auch bei derartig hohen, während der Bearbeitung erzeugten
Temperaturen keine Änderung
der Steifigkeit der Vergussmasse auf.
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Nach Durchführung des Zertrenn-Vorgangs werden
die Schnittflächen 33a, 33b (3) vorteilhafterweise mit
einer Abdeckung, beispielsweise einem Klebestreifen oder einem Lack
versehen. Die sehr planen, glatten Schnittflächen 33a, 33b sind
im wesentlichen frei von Ausfransungen und durch die angebrachte,
nicht dargestellte Abdeckung vor weiterer Beschädigung geschützt.
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Die beiden nunmehr fertig bearbeiteten
Hälften 16a, 16b der
im wesentlichen kreisringförmigen Schelle 13 können nun
um eine Spannungsversorgungsleitung 12 herum angebracht
werden. Hierzu sind üblicherweise
gesonderte Befestigungselemente, im einfachsten Fall ein in 2 angedeuteter Klebestreifen 25 vorgesehen,
die für
einen Zusammenhalt der beiden Teile 16a, 16b sorgen.
Selbstverständlich
können
Schraubverbindungselemente od. dgl. vorgesehen, und gegebenenfalls
auch stoffschlüssig-einstückig als
Bestandteil der Vergussmasse 32 mit angeformt sein.
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In Umfangsrichtung u der Schelle 13,
also dem Verlauf der Wickellagen 19 folgend, ist ein nahezu
kontinuierlich durchgehender Körper
gebildet, der aufgrund der zerteilten, zweiteiligen Anordnung im Bereich
zweier Zusammenfügungsbereiche 17 jeweils
einen Spalt 18 aufweist. Der Spalt 18 ist dabei nicht
etwa zwangsläufig
aufgrund der zusammengesetzten Anordnung der Schelle 13 vorhanden
und wird hingenommen, sondern ist in seiner Bedeutung wesentlich
und beeinflusst die magnetischen Eigenschaften der Schelle 13 positiv.
Insbesondere wird durch das Anordnen eines Spaltes 18 eine
Veränderung
der Kennlinie der Vorrichtung 10 möglich, insbesondere ein flacherer
Anstieg der B-H-Kennlinie, wodurch die Gefahr einer Sättigungsinduktion
bei sehr hohen Strömen
weiter verringert wird.
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Der Spalt 18 weist erfindungsgemäß eine Breite
d im Bereich von etwa 10 μm
auf und wird mit einem nichtleitenden und nichtmagnetischen Medium,
beispielsweise mit Papier gefüllt.
Der Spalt 18 kann aber auch als Luftspalt ausgebildet sein.