DE10301530A1

DE10301530A1 - Leistungskabel für mehrphasigen Wechselstrom

Info

Publication number: DE10301530A1
Application number: DE10301530A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dr. Boll
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-07-01

Abstract

Ein Leitungskabel (10) dient zur Durchleitung von mehrphasigem Wechselstrom. Über die Kabellänge des Leistungskabels (10) hinweg weisen die Leiterlitzen (11) eine nicht ausschließlich in der Erstreckungsrichtung des Leistungskabels (10) liegende Verlaufsrichtung auf. Dabei sind für jede der Phasen (U, V, W) mehrere Leiterlitzen (11) vorgesehen, wobei die Leiterlitzen (11) jeweils einer Phase (U, V, W) am Kabelende miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungskabel für mehrphasigen Wechselstrom.

Es ist bekannt, bei Leistungskabeln für mehrphasigen Wechselstrom jeweils eine Leiterlitze für jede Phase vorzusehen, wobei die Leiterlitzen über die Kabellänge hinweg sich untereinander Kreuzen oder gewendelt sind. Jedenfalls weisen die Leiterlitzen über die Kabellänge hinweg eine Verlaufsrichtung auf, die nicht ausschließlich in der Erstreckungsrichtung des Kabels verläuft. Bei dem mehrphasigen Wechselstrom handelt es sich beispielsweise um üblichen zweiphasigen Wechselstrom, wobei die zwei Phasen um 180° zueinander versetzt sind oder um so genannten Drehstrom, bei dem drei Phasen mit einem Phasenwinkel von 120° zueinander gegeben sind. Dabei kann der Stromverlauf der einzelnen Phasen sowohl sinusförmig als auch rechteck- oder dreiecksförmig ausgebildet sein. Rechteckförmige Stromverläufe in Leitungen erhält man insbesondere dann, wenn der Wechselstrom mittels so genannter Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle erzeugt wird.

Darüber hinaus ist ein solcher verseilter Verlauf der Leiterlitzen auch im Niederspannungsbereich bekannt, und beispielsweise in der DE 38 90 470 C2 beschrieben.

Das Wendeln oder Kreuzen der Leiterlitzen über die Kabellänge hinweg erfolgt unter anderem zu dem Zweck, elektromagnetische Störungen zu verringern, die insbesondere aus den bei durch fließendem Wechselstrom entstehenden elektromagnetischen Wechselfeldern erzeugt werden.

Mit zunehmender elektrischer Leistung müssen die Querschnitte der einzelnen Leiterlitzen erhöht werden um eine entsprechende Leistungsaufnahme zu ermöglichen. Andererseits werden die einzelnen Leiterlitzen und damit auch die daraus hergestellten Leistungskabel mit diesem zunehmenden Querschnitt steifer. Die Versteifung wird dabei durch das Wendeln, Kreuzen oder Verflechten der Leiterlitzen untereinander noch verstärkt. Gleichzeitig wird durch dieses verseilen der Leiterlitzen miteinander auch noch die Außenfläche der Leiterlitzen verringert, so dass eine verschlechterte Wärmeabfuhr daraus folgt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungskabel bereitzustellen, das gute elektromagnetische Verträglichkeit mit Flexibilität und großer elektrischer Leistung vereint.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Leistungskabel für mehrphasigen Wechselstrom gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Leistungskabel dient der Durchleitung von mehrphasigem Wechselstrom. Dabei ist für jede Phase wenigstens eine Leiterlitze vorgesehen. Über die Kabellänge des Leistungskabels hinweg weisen die Leiterlitzen eine nicht ausschließlich in der Erstreckungsrichtung des Leistungskabels liegende Verlaufsrichtung auf. Dabei sind erfindungsgemäß für jede der Phasen mehrere Leiterlitzen vorgesehen, wobei die Leiterlitzen jeweils einer Phase am Kabelende miteinander elektrisch verbunden sind.

Derartige Leistungskabel haben den Vorteil, dass durch die enge Verseilung der Drähte bei kurzer Teilungslänge der Verseilung eine gute Dämpfung der Störfelder erreicht wird. Die Dämpfung wird aufgrund der aufgrund der Erfindung möglichen geringen Teilungslänge auch im Bereich hoher Frequenzen erreicht. Daneben wird auch eine gute Flexibilität des Kabels erreicht, so dass auch ein Platz sparendes Verlegen mit engen Radien ermöglicht wird.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet erfindungsgemäßer Leistungskabel ist im Fahrzeugbau gegeben. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge können über Drehstrommotoren angetrieben sein, die aus Gleichstromquellen, wie Hochleistungsbatterien oder Brennstoffzellen gespeist werden. Der Gleichstrom wird in einer Leistungselektronik in Drehstrom gewandelt. Hierzu werden Wechselrichter verwendet, die den Gleichstrom in drei Teilströme mit je 120° Phasenversatz aufgeteilt werden, wobei jeder der drei Ströme einen rechteckförmigen Signalverlauf aufweist. Oftmals ist es schwer realisierbar oder unvorteilhaft, den Wechselrichter unmittelbar am Drehstrommotor anzuordnen. Dann muss der Drehstrom, der eine große elektrische Leistung aufweist, vom Wechselrichter bis zum Elektromotor in einem Leistungskabel geführt werden.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Leiterlitzen unterschiedlicher Phasen nebeneinander verlaufend angeordnet. Durch eine solche Anordnung der Leiterlitzen werden die Feldstärken umgebender elektromagnetischer Felder und damit elektromagnetischer Störungen gemindert. Ein sich verstärkender Effekt durch Überlagern gleichgerichteter, gleichphasiger Felder wird vermieden.

Ein erfindungsgemäß weitergebildetes Leistungskabel weist Leiterlitzen auf, wobei Leiterlitzen unterschiedlicher Phasen zusammengefasst sind und sich im Verlauf der Kabellänge untereinander kreuzen. Das untereinander verkreuzen kann beispielsweise durch Verflechten der Leiterlitzen oder paarweises Verdrehen bzw. Wendeln erreicht werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Kabellitzen des Leistungskabels insgesamt über die Kabellänge hinweg miteinander verdrillt sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen sehen vor, dass das Leistungskabel ein Flachkabel bildet. Dabei ist die Dicke des Kabels vorzugsweise im Wesentlichen durch die Stärke von höchstens zwei Lagen von Leiterlitzen gebildet. Dabei muss berücksichtigt werden, dass dann, wenn die Leiterlitzen untereinander verflochten oder verkreuzt sind, die Dicke des Kabels dadurch erhöht wird. Das Ausbilden von Flachkabeln, die ein oder zwei Schichten von Leiterlitzen aufweisen, hat den Vorteil, dass diese eine große Biegsamkeit in der Flachbandebene aufweisen. Sind die Leiterlitzen untereinander verseilt oder verwoben so ergibt sich auch ein natürlicher Zusammenhang des Flachbandes aufgrund der eigenen Struktur. Daneben bildet sich eine große Kabeloberfläche, die eine gute Abfuhr der Wärme aus dem Kabel erlaubt. Durch eine insbesondere elektrisch isolierende Umhüllung kann zugleich der Eindruck eines flachen, in sich zusammengehörenden Kabelbandes erzeugt werden. Gleichzeitig kann mit einer Umhüllung eine weitere Dämpfung der elektromagnetischen Abstrahlung eines erfindungsgemäßen Leistungskabels erreicht werden. Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Flachkabels kann auch vorsehen, dass die Leiterlitzen in zwei zueinander benachbarten Ebenen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei einander benachbarte Leiterlitzen vorzugsweise zu unterschiedlichen Phasen gehören, wobei die randständigen Leiterlitzen die Ebene wechseln, so dass ein umlaufender Austausch der Leiterlitzen zwischen den Ebenen vorliegt.

Gemäß anderer vorteilhafter Weiterbildung eines Leistungskabels sind jeweils eine Leiterlitze jeder Phase zu einem Litzensatz zusammengefasst. Jeder Litzensatz ist durch eine Mantelisolation umschlossen. Die Litzen der Litzensätze sind dabei insbesondere miteinander verdrillt bzw. verseilt. Durch das miteinander verseilen der Leiterlitzen und die Mantelisolation wird jeweils ein vorkonfektionierbarer Litzensatz, der sozusagen eine Kardeele des Leistungskabels ist, gebildet. Die Anzahl der verwendeten Litzensätze zur Erzeugung des Leistungskabels kann dann bedarfsspezifisch in einfacher wei se angepasst werden. Gemäß bevorzugter Weiterbildung sind die Litzensätze zu einem Kabel zusammengefasst und durch einen insbesondere elektromagnetisch abschirmenden Mantel umgeben. Hierdurch wird eine sehr gute elektromagnetische Verträglichkeit erreicht. Dabei sind die Litzensätze insbesondere zu einem Flachkabel gebündelt und verlaufen parallel zueinander. Hierdurch werden eine gute Flexibilität und gleichzeitig eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Leistungskabels sieht vor, dass wenigstens eine Schicht Leiterlitzen um einen Kern herum angeordnet ist. Eine Schicht wird dabei aus über die Kabellänge hinweg parallel zueinander verlaufenden Leiterlitzen gebildet, die um den Kern herum gewendelt, also verdrallt sind. Dabei werden die Leiterlitzen insbesondere so angeordnet, dass benachbarte Leiterlitzen einer Schicht unterschiedlichen Phasen zugehörig sind. Die Wendelung der Leiterlitzen benachbarter Schichten ist vorzugsweise einander gegenläufig. Auch diese Maßnahme dient der Verminderung elektromagnetischer Abstrahlung. Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kern aus einem Litzensatz gebildet wird, der aus einer Leiterlitze jeder Phase besteht und vorzugsweise durch eine Mantelisolation umschlossen ist. Hierdurch wird ein Rundkabel mit einer kompakten Anordnung einer sehr großen Anzahl von Leiterlitzen erzeugt. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Leiterlitzen des den Kern bildenden Litzensatzes gegenläufig zur Wendelung der den Kern umschließenden Schicht gewendelt sind.

Insbesondere bei Litzen und Kardeelen kann in der Mitte eine Zugentlastung mitgeführt werden, die vorzugsweise nicht an der Stromleitung beteiligt wird (ausser als Mittelpunktleiter) und deshalb keine Wärme abgibt. Aber auch Flachkabel können Zugentlastungen mitführen.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Leiterlitzen gleicher Phase wenigstens an einem Kabelende in ei nem Stecker elektrisch miteinander verbunden. Dabei weist der Stecker für jede Phase jeweils einen Steckkontakt auf. Hierdurch wird es ermöglicht, ein erfindungsgemäßes Leistungskabel mit herkömmlichen Steckkontaktierungen zu verbinden. Gesonderte Stecker mit großer Anzahl an Steckkontakten können vermieden werden. Der Stecker weist vorzugsweise ein elektromagnetisch abschirmendes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse insbesondere aus einem wenigstens überwiegend Formsteifen Gehäusemantel und einer isolierenden Füllmasse besteht. Durch das Abschirmen im Bereich des Steckers wird die Lücke in der elektromagnetischen Abschirmung des Kabels geschlossen. Dies ist insbesondere deshalb günstig, weil im Bereich des Steckers die Abstrahlung vermindernde Anordnung der Leiterlitzen nicht ohne weiteres aufrechterhalten bleiben kann sondern das Zusammenführen der Leiterlitzen gleicher Phasen erfolgt.

Im Übrigen ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigt:
1 ein Leistungskabel mit mehreren miteinander verflochtenen Leiterlitzen;
2 ein Leistungskabel gemäß 1 mit abschirmender Isolierung;
3 das Zusammenführen der Leitungen gleicher Phasen im Bereich eines Kabelendes;
4 ein Flachkabel mit zwei Ebenen zueinander parallel verlaufenden Leiterlitzen;
5 ein Flachkabel mit aus mehreren parallel zueinander angeordneten Litzensätzen;
6 ein Flachkabel gemäß 5 mit abschirmender Isolation; und
7 ein Leistungskabel mit einem Litzensatz als Kern und einer Schicht Leiterlitzen.
Die 1-7 zeigen jeweils in schematischer Darstellung Leistungskabel gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei alle Beispiele Drehstromkabel mit drei Phasen – die als U,V,W bezeichnet sind – zeigen.
Die 1 zeigt ein Leistungskabel 10 das aus insgesamt neun Leiterlitzen 11 besteht. Die Leiterlitzen 11 sind so nebeneinander angeordnet, dass zwei zueinander benachbarte Leiterlitzen 11 jeweils einer anderen Phase zugeordnet sind. Jede Leiterlitze 11 wird aus einer elektrisch leitenden Seele 12 und einer Isolationsschicht 13 gebildet. Die Leiterlitzen 11 sind miteinander verflochten, so dass ein Flachkabel gebildet wird, das in der Erstreckungsebene flexibel ist.
Die 2 zeigt das Leistungskabel 10 der 1 das eine elektrisch abschirmende Isolierung aufweist. Diese wird aus einem Weichisolator 14 gebildet. Dieser kann auch von einer halbsteifen Hülle 15 umgeben sein. Auf diese Weise kann dem Leistungskabel eine definierte Form vorgegeben werden, wie dies beispielsweise bei Kabelbäumen üblich ist. Isolation und Hülle können elektromagnetisch abschirmend ausgebildet sein.
Die 3 zeigt, wie die einzelnen Leiterlitzen 11 im Endbereich entflochten und durch unterschiedliches Ablängen in die Gruppen gleicher Phase U,V,W getrennt werden. Die Enden 16 der Leiterlitzen können dann beispielsweise in einer Sammelschiene kontaktiert werden, die zu jeweils einem Steckkontakt eines Steckers zusammengefasst sind. Der Stecker kann entsprechend der Ummantelung gemäß 2 im Bereich der Kabellänge aufgebaut sein.
Die 4 zeigt ein als Flachkabel ausgebildetes Leistungskabel 10, das zwei Lagen von Leiterlitzen aufweist. Die rand ständigen Leiterlitzen 17 wechselnd dabei die Leiterlagen, so dass ein periodisches Vertauschen der Leiterebenen nach und nach erfolgt. Bei den einzelnen elektrischen Leiterlitzen 11 ist die Zugehörigkeit zu unterschiedlichen Phasen angezeichnet, so dass ersichtlich ist, dass benachbarte Leiterlitzen zu unterschiedlichen Phasen zugeordnet sind U, V, W.
Die 5 zeigt ein als Flachkabel ausgebildetes Leistungskabel 10, das aus mehreren nebeneinander angeordneten Litzensätzen 18 gebildet wird. Jeder Litzensatz besteht aus einer Leiterlitze 11 jeder Phase U,V,W. Innerhalb eines Litzensatzes 18 sind die Leiterlitzen 11 gewendelt, was durch die Linie 19 eines Litzensatzes angedeutet ist. Der Litzensatz wird durch die Mantelisolation 25 umschlossen.
Die 6 zeigt ein Leistungskabel 10 gemäß der 5, das durch eine Isolation 20 umhüllt ist.
Die 7 zeigt ein Leistungskabel 10 mit einem Kern 21 und einer Schicht 22. Die Schicht 22 wird aus Leiterlitzen 11 gebildet, wobei benachbarte Leiterlitzen 11 unterschiedlichen Phasen U,V,W zugeordnet sind. Das Leistungskabel 10 wird durch eine Isolation 20 umhüllt. Der Kern 21 wird aus einem Litzensatz 18 gebildet, wie er auch in dem Flachkabel gemäß der 5 verwendet wird.

Claims

Leistungskabel für mehrphasigen Wechselstrom, wobei für jede Phase wenigstens eine Leiterlitze vorgesehen ist, und wobei über die Kabellänge hinweg die Leiterlitzen (11) eine nicht ausschließlich in der Erstreckungsrichtung des Leistungskabels liegende Verlaufsrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der Phasen (U, V, W) mehrere Leiterlitzen (11) vorgesehen sind, wobei die Leiterlitzen (11) jeweils einer Phase (U, V, W) am Kabelende miteinander elektrisch verbunden sind.
Leistungskabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterlitzen (11) unterschiedlicher Phasen nebeneinander verlaufend angeordnet sind.
Leistungskabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kabellängen Litzen unterschiedlicher Phasen zusammengefasst sich untereinander kreuzen.
Leistungskabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterlitzen (11) über die Kabellänge untereinander verdrillt sind.
Leistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungskabel (10) ein Flachkabel bildet, wobei die Dicke des Kabels vorzugsweise im Wesentlichen durch die Stärke von höchstens zwei Lagen von Leiterlitzen (11) gebildet ist.
Leistungskabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Leiterlitze jeder Phase (U, V, W) zu einem Litzensatz (18) zusammenfasst sind, wobei jeder Litzensatz (18) durch eine Mantelisolation (25) umschlossen sind, wobei die Leiterlitzen (11) des Litzensatzes (18) insbesondere miteinander verdrillt sind.
Leistungskabel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzensätze (18) zu einem Kabel, insbesondere einem Flachkabel gebündelt sind und vorzugsweise durch einen insbesondere elektromagnetisch abschirmenden Mantel umgeben sind.
Leistungskabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schicht Leiterlitzen (11) um einen Kern (21) herum angeordnet sind, wobei eine Schicht (21) aus über die Kabellänge hinweg parallel zueinander verlaufenden Leiterlitzen (11) gebildet wird, die um den Kern (21) herum gewendelt sind.
Leistungskabel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Leiterlitzen (11) einer Schicht (22) unterschiedlichen Phasen (U,V,W) zugehörig sind.
Leistungskabel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelungen der Leiterlitzen (11) benachbarter Schichten (22) einander gegenläufig sind.
Leistungskabel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (21) aus einem Litzensatz (18) gebildet wird, der aus einer Leiterlitze (11) jeder Phase (U,V,W) besteht und vorzugsweise durch eine Mantelisolation (25) umschlossen ist.
Leistungskabel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterlitzen (11) des den Kern bildenden Litzensatzes (18) gegenläufig zur Wendelung der den Kern (21) umschließenden Schicht (22) gewendelt ist.
Leistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterlitzen (11) gleicher Phase (U, V, W) wenigstens an einem Kabelende in einem Stecker elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der Stecker für jede Phase jeweils einen Steckkontakt aufweist.
Leistungskabel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker ein elektromagnetisch abschirmendes Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse insbesondere aus einem wenigstens überwiegend Formsteifen Gehäusemantel und einer isolierenden Füllmasse besteht.
Leistungskabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kabel (10) eine Zugentlastung integriert ist.