DE19810780C1 - Toroid-Luftspule und Verfahren zum Herstellen einer Toroid-Luftspule - Google Patents

Abstract

Die Windungen (1) der toroidförmigen Luftspule schlingen sich um einen das Wicklungsinnere mindestens nahezu vollständig ausfüllenden toroidförmigen Körper, der vorzugsweise als Hohlkörper (7) ausgebildet ist. Dieser Hohlkörper läßt es zu, die Luftspule in Kunststoff (4) einzubetten und damit mechanisch festzulegen, verhindert aber ein Vollaufen des Wicklungsinneren mit der Kunststoffmasse. Durch das Einbringen eines solchen Körpers in die Luftspule wird die Menge der benötigten Vergußmasse gegenüber einem vollständigen Vergießen der Spule vermindert mit der Folge, daß die fertige Spule gewichtsmäßig leichter auszuführen und damit auch leichter handhabbar ist als eine vollständig vergossene Spule. Der Hohlkörper im Inneren der Toroid-Luftspule ist vorzugsweise als flexibles Rohr ausgebildet, das insbesondere als Spiralrohr oder als Rohr mit Balgenstruktur ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Toroid-Luftspule für die induktive Beschaltung von Stromrichterventilen mit einer in einem Trägerkörper mechanisch festgelegten Wicklung sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Toroid-Luft­ spule. Der Aufbau und die Herstellung einer derartigen Luftspule sind aus der DE 42 02 021 C2 bekannt.

Aus der DE 195 05 812 A1 ist eine Stromerfassungsspule für einen Stromwandler bekannt, bei der die Wicklung auf einen isolierenden Ringkörper aufgebracht ist. Dieser besteht aus einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoff und ist als massiver Vollkörper ausgebildet. Die auf den Ringkörper auf­ gebrachte Spule ist zusammen mit dieser in ein einseitig of­ fenes ringförmiges Gehäuse eingebracht, das nach außen hin durch eine Vergußmasse verschlossen ist. Diese Vergußmasse dient der Festlegung der Spule und weiterer Komponenten im Gehäuse; die Windungen der Wicklung sind nur partiell von der Vergußmasse bedeckt. Etwaige auf die Wicklung wirkende Kräfte werden vom Gehäuse aufgenommen.

Aus der DE-PS 664 325 ist eine Hochfrequenzspule mit ringförmi­ gem Eisenkern bekannt, bei der die Wicklung über auf den Kern aufgesetzte Abstandshalter geführt ist. Der dadurch erreichte Abstand zwischen Wicklung und Kern dient der Verminderung von Wirbelstromverlusten. Etwaige auf die Wicklung wirkende Kräf­ te werden durch den Kern und über ein bedarfsweise anzuord­ nendes Gehäuse aufgenommen.

Aus der DE 42 29 678 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes aus einer Rogowski-Spule gebildeten Stromwandlers be­ kannt, bei dem die Spulenwicklung auf einen stabförmigen hoh­ len Wicklungsträger aufgebracht ist, der nach dem Aufbringen der Wicklung zu einem Ring verformt wird. Das Problem der Aufnahme von auf die Wicklung wirkenden Kräfte wird in dieser DE-A1 nicht gesprochen.

Stromrichterventile wie Thyristoren und abschaltbare Thyri­ storen, auch als GTO-(Gate-Turn-Off)-Thyristoren bezeichnet, benötigen eine induktive Beschaltung zur Begrenzung der Stromänderungsgeschwindigkeit beim Schalten. Zu diesem Zweck existieren eine Reihe von Beschaltungen, die zur Begrenzung der Stromänderungsgeschwindigkeit Drosseln enthalten. Derar­ tige Drosseln müssen unter anderem folgende Eigenschaften aufweisen:

• - großer linearer Anteil der Induktivität
• - Beherrschung hoher Kurzschlußströme und Kurzschlußkräfte
• - einfache Kühlung mit Luft oder Wasser
• - kleine Baugröße und möglichst geringes Gewicht.

Diese Forderungen werden von der aus der DE 42 02 021 C2 be­ kannten Drosselspule weitgehend erfüllt. Ihr Aufbau ist je­ doch aufwendig insbesondere wegen der Notwendigkeit, die auf die Wicklung wirkenden Kurzschlußkräfte mechanisch abzufan­ gen.

Dieses Problem ist bei einer aus der EP 0 459 326 A1 bekann­ ten Drosselspule dahingehend gelöst, daß die dort allerdings als Spirale ausgeführte Drosselwicklung in einem die Drossel­ wicklung allseits umschließenden Gießharzkörper eingebettet ist. Die Anwendung dieses Prinzips auf eine Toroid-Luftspule führt zu einem zwar mechanisch sehr stabilen Aufbau, in dem die auf die Wicklung wirkenden Kurzschlußkräfte hervorragend abgefangen werden, sie führt aber auch wegen der Menge des verwendenden Gießharzes zu einem teuren Aufbau, vor allem aber zu einem durchaus unerwünschten Gewichtsanstieg der Spu­ le. Das Gewicht der Vergußmasse beträgt regelmäßig ein Viel­ faches des Gewichtes der unvergossenen Wicklung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Toroid-Luftspule anzuge­ ben, die die Vorteile einer Einbettung in Kunststoff auf­ weist, ohne aber ihre Nachteile in Kauf zu nehmen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Toroid-Luftspule anzugeben.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 9.

Bezüglich des Aufbaus der Toroid-Luftspule wird der ange­ strebte Erfolg dadurch erzielt, daß durch das Einbetten eines toroidförmigen Körpers in die Wicklung der Luftspule nurmehr eine Bruchteil der Kunststoffmenge zum Festlegen der Wicklung benötigt wird wie bei der aus dem Stand der Technik nahege­ legten Einbettung und daß durch die vollständige Einbettung der Wicklung in Kunststoff eine gute mechanische Festlegung der Wicklung gegeben ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfin­ dungsgemäßen Toroid-Luftspule sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.

So ist nach der Lehre des Anspruches 2 vorgesehen, den in die Luftspule einzubettenden Toroidkörper als gewichtsmäßig leichten Vollkörper auszubilden; dadurch läßt sich eine er­ hebliche Kunststoffmenge einsparen und die Luftspule insge­ samt wird leichter als bei einem vollständig verfüllten Trägerkörper.

Besonders vorteilhaft ist die im Anspruch 3 angegebene Ausge­ staltung des Körpers als Hohlkörper, wobei dieser Hohlkörper gemäß Anspruch 4 vorzugsweise als flexibles Rohr auszuführen ist. Ein solches Rohr läßt sich leicht formen und auch noch nachträglich in die noch nicht vergossene oder umspritzte Luftspule einbringen. Vorzugsweise soll dieses flexible Rohr nach der Lehre des Anspruches 5 als Spiralrohr oder nach der Lehre des Anspruches 6 als Rohr mit balgenartiger Struktur ausgeführt sein. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß sich das Rohr bei entsprechender Dimensionierung bzw. entsprechen­ der Oberflächengestaltung quasi selbsttätig in der Wicklung der Luftspule ausrichtet, so daß es möglich ist, die Wicklung der Luftspule allseits in Kunststoff einzubetten. Für das Ab­ leiten der in der Wicklung auftretenden Verlustwärme kann die Wicklung nach der Lehre des Anspruches 7 bedarfsweise als luft- oder flüssigkeitsgekühltes Hohlprofil ausgebildet sein. Dadurch wird vermieden, daß es durch das Einbetten der Wick­ lung zu einem Wärmestau innerhalb der Luftspule kommt.

Zum Abfangen der nicht unerheblichen Kurzschlußkräfte ist es von Vorteil, den toroidförmigen Körper und/oder die Wicklung innen und/oder außen gemäß Anspruch 8 mit einer Glasfasermat­ te zu armieren.

Das im Anspruch 9 angegebene Verfahren zum Herstellen einer solchen Toroid-Luftspule sieht vor, daß entweder die Wicklung mit Abstand um den toroidförmigen Körper geschlungen wird oder aber daß dieser nachträglich in die Wicklung eingepaßt wird und daß diese Anordnung dann vergossen oder umspritzt wird. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, daß der Körper mindestens wäh­ rend des Vergießens bzw. Umspritzens der Wicklung im Inneren der Wicklung auf Abstand zu den Windungen der Wicklung fi­ xiert wird, weil nur dann ein allseitiges Einbetten der Wick­ lung in Kunststoff erreichbar ist; das Ausrichten des Körpers in der Luftspule kann durch eine geeignete Oberflächenstruk­ tur des Körpers erreicht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Toroid-Luft­ spule ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei auch auf das Verfahren zum Herstellen einer solchen Spule eingegangen wird.

Die Zeichnung zeigt im unteren Teil eine Draufsicht auf eine an sich bekannte Toroid-Luftspule und im oberen Teil einen Schnitt durch diese Spule längs der Schnittlinie AB. Die To­ roid-Luftspule besteht aus mehreren vorzugsweise kreisförmi­ gen Windungen 1 aus elektrisch leitendem Material, die mit einer vorgegebenen vorzugsweise konstanten Steigung um eine senkrechte Achse 2 konzentrisch angeordnet sind. Die beiden Enden der aus den Windungen gebildeten Wicklung münden in ei­ nen Anschlußblock 3 ein, über den die elektrische Kontaktie­ rung der Wicklung erfolgt. Dort erfolgt auch für den Fall, daß der elektrische Leiter als Hohlleiter ausgebildet ist, die bedarfsweise Beschickung der Wicklung mit Kühlluft oder Kühlflüssigkeit. Bei dem Leiterprofil kann es sich um ein Rundprofil oder auch um ein eckiges Profil handeln; als Werk­ stoff kommen insbesondere Aluminium oder Kupfer in Frage. Die Wicklung der Luftspule ist in einer aushärtbaren Vergußmasse 4 eingebettet, die die Windungen 1 allseitig um­ schließt und damit nach dem Aushärten eine mechanische Fixie­ rung der Wicklung bewirkt. Diese mechanische Fixierung dient vorzugsweise dazu, die bei hohen Kurzschlußströmen in der Wicklung entstehenden Kurzschlußkräfte abzufangen und abzu­ leiten. Die Ummantelung der Wicklung dient aber auch ihrem mechanischen Schutz. Die Ausgestaltung des Vergußblockes kann den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden. So ist z. B. vorgesehen, daß der Vergußblock längs der Achse 2 eine Aus­ nehmung 5 zum axialen Festlegen der Spule an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Träger aufweist. Ferner ist der Vergußkörper mit flanschartigen Anlagen 6 für die seitliche Abstützung der Spule versehen.

Um mit möglichst wenig Vergußmasse zum Festlegen der Luftspu­ lenwicklung auszukommen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, vor dem Vergießen in die Wicklung einen toroidförmigen Körper einzubringen und diesen dann zusammen mit der Wicklung in ei­ nem Arbeitsgang zu vergießen. Dieser Körper ist im darge­ stellten Ausführungsbeispiel als Hohlkörper 7 ausgebildet. Der Hohlkörper wird vorzugsweise durch ein flexibles Rohr dargestellt, das als Spiralrohr oder als Rohr mit Balgen­ struktur ausgeführt ist. Ein solches flexibles Rohr läßt sich leicht zu einem Toroid formen, wobei die Enden des Rohres auf geeignete Weise so zu verschließen oder aneinander festzule­ gen sind, daß beim Vergießen nach Möglichkeit keine Verguß­ masse in den vom Rohr umschlossenen Hohlraum 8 eindringt. Ist die Luftspule nur für relativ kleine Kurzschlußströme auszu­ legen, so kann es ausreichen, in die Wicklung einen den Wick­ lungsinnenraum nahezu vollständig ausfüllenden Körper einzu­ bringen, wobei die mechanische Festlegung der Wicklung im we­ sentlichen durch die von außen und von der Seite her die Wicklung umschließende Vergußmasse erfolgt. Bei höheren Kurz­ schlußströmen und dadurch bedingten größeren Kurzschlußkräf­ ten reicht diese Fixierung nicht aus. Dann ist der in die Wicklung einzubettende toroidförmige Körper so auszubilden, daß seine radiale Schnittfläche um ein bestimm­ tes Maß kleiner ist als der innere Windungsdurchmesser der Wicklung, so daß Vergußmasse auch von innen her um die Win­ dungen der Wicklung greifen kann. Dabei ist darauf zu achten, daß der toroidförmige Körper mindestens während des Vergie­ ßens und Aushärtens der Vergußmasse vorzugsweise konzentrisch zur Toroid-Luftspule angeordnet ist. Dies kann z. B. durch Einbringen von Abstands­ stücken zwischen den Windungen der Wicklung und dem toroid­ förmigen Körper geschehen. Solche Abstandsstücke können auch vorab auf die Oberfläche des flexiblen Rohres aufgebracht sein z. B. durch einen dort umlaufenden Wulst oder nach außen vor­ stehende Distanzleisten. Zum Aufnehmen größerer Kurzschluß­ kräfte sind der toroidförmige Körper und/oder die Wicklung mit einer Glasfasermatte zu armieren.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Toroid-Luftspule ge­ schieht vorzugsweise dadurch, daß die Windungen der Wicklung um den toroidförmigen Körper geschlungen werden und dab die Wicklung dann zusammen mit dem toroidförmigen Körper vergos­ sen wird. Dabei ist durch geeignete Maßnahmen sicherzustel­ len, daß der toroidförmige Körper in der Wicklung der Luftspule vorzugsweise in allseitigem Abstand zu den Windun­ gen angeordnet ist. Alternativ zum Umwickeln des toroidförmi­ gen Körpers kann dieser auch nach dem Formen der Wicklung in diese eingebracht werden. Dazu sollte noch mindestens ein Wicklungsende frei zugänglich sein.

Als Vergußmasse zum mechanischen Festlegen der Spulenwicklung kommt vorzugsweise ein Gießharz zur Anwendung. Es ist aber auch möglich, zum Einbetten der Wicklung andere Materialien zu verwenden und die Wicklung z. B. auch unter Druck mit ei­ nem geeigneten Material zu umspritzen.

Claims (9)

1. Toroid-Luftspule für die induktive Beschaltung von Strom­ richterventilen mit einer in einem Trägerkörper mechanisch festgelegten Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (1) der Wicklung einen toroidförmigen Kör­ per (7) im Abstand umschließen und daß die Wicklung zusammen mit dem von ihr umschlossenen Körper vollständig in einer Kunststoffmasse (4) eingebettet ist.

2. Toroid-Luftspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als Vollkörper aus einem Werkstoff mit gegen­ über dem spezifischen Gewicht der Kunststoffmasse niedrigerem spezifischen Gewicht ausgebildet ist.

3. Toroid-Luftspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als Hohlkörper ausgebildet ist.

4. Toroid-Luftspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als ein flexibles Rohr (7) ausgebildet ist.

5. Toroid-Luftspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als ein Spiralrohr ausgebildet ist.

6. Toroid-Luftspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als ein Rohr mit Balgenstruktur ausgebildet ist.

7. Toroid-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung als ein bedarfsweise luft- oder flüssig­ keitsgekühltes Hohlprofil ausgebildet ist.

8. Toroid-Luftspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper und/oder die Wicklung innen und/oder außen mit einer Glasfasermatte armiert sind.

9. Verfahren zum Herstellen einer Toroid-Luftspule für die induktive Beschaltung von Stromrichterventilen mit einer in einem Trägerkörper mechanisch festgelegten Wicklung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Windungen der Wicklung um einen toroidförmigen Körper geschlungen werden oder daß ein solcher Körper in die Wick­ lung eingepaßt wird, wobei die radiale Schnittfläche des to­ roidförmigen Körpers kleiner ist als der innere Windungs­ durchmesser der Wicklung, und
daß die Wicklung anschließend zusammen mit dem Körper voll­ ständig vergossen oder umspritzt wird, wobei dieser während des Vergießens oder Umspritzens in der Wicklung auf Abstand zu den Windungen gehalten wird.