DE2428170A1

DE2428170A1 - Elektrischer litzenleiter

Info

Publication number: DE2428170A1
Application number: DE19742428170
Authority: DE
Inventors: Bernard Jean Josse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1974-06-11
Publication date: 1975-01-02
Also published as: GB1473239A; SE7407683L; IT1012969B; US4079192A; CA1014237A; FR2233685A1; JPS5035683A; FR2233685B1

Description

COHAIJSZ & FLORACK

PATENTANWALTSBÜRO 2^28170

4 DÜSSELDORF SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE: Dipl.-Ing. W. COHAUSZ - Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER

Bernard Jean Josse 10. Juni 1974

7, Avenue Pierre Grenier
F-92100 Boulogne / Frankreich

Elektrischer Litzenleiter

Die Erfindung betrifft e.inen elektrischen Litzenleiter, bestehend aus gegeneinander isolierten Einzeldrähten.

Es ist bekannt, daß in Wechselstromleitern, insbesondere
Hochfrequenzleitern, infolge des Skin-Effektes Verluste auftreten. Um diese Wirbelstromverluste zu verringern, hat man die Einzelleiter in Strähnen aufgegliedert und sogenannte
Litzenleiter geschaffen, bei denen der Anteil des zur Stromleitung nutzbaren Querschnitts vom Gesamtquerschnitt des
Litzenleiters erheblich größer als bei einem aus einem einzelnen Draht bestehenden Leiter von gleichem Außendurchmesser ist.

Die Verwendung von Litzenleitern kann das Problem des Skin-Effektes jedoch nur teilweise lösen, da bei hochfrequenten
Wechselströmen mit steigender Frequenz immer feinere Drähte notwendig werden, wodurch aber auch die dielektrischen Verluste in der isolierenden Umhüllung ansteigen, bis sie nicht mehr tragbar sind.

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U/Be -

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Litzenieiter anzugeben, der insbesondere für die Fortleitung von hochfrequenten Wechselströmen geeignet ist und bei dem die Wirbelstromverluste gering sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem elektrischen Litzenleiter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei den Einzeldrähten zwischen der leitenden seele und der isolierenden Immantelung mindestens eine dünne Schicht aus magnetischem Material angeordnet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die dünne Schicht aus einem ferromagnetischen Metall oder einer ferromagnetischen Legierung besteht. Vorteilhafterweise besteht die dünne Schicht aus Pulver und ferromagnetische!!! Metall oder magnetischen Mischoxiden, das mit Hilfe eines isolierenden Bindemittels auf der leitenden Seele des Einzeldrahtes befestigt ist.

Diese dünne Schicht bildet Konzentrationszonen für die von einem äußeren Magnetfeld, das durch den in den benachbarten Litzendrähten fließenden Strom erzeugt wird, ausgehenden magnetischen Kraftlinien, Durch die verhältnismäßig geringe Dicke der Schicht aus magnetischem Material und infolge des verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstandes dieses Materials im Vergleich zu dem Metall, das die eigentliche Leiterseele bildet, sind die in- der dünnen Schicht des magnetischen Materials induzierten Wirbelströme und damit die Energieverluste verhältnismäßig gering.

Elektrische Litzenleiter gemäß der Erfindung eignen sich besonders im Gebiet der Supra- und Hyperleitfähigkeit.

Die dünnen Schichten aus magnetischem Material können auf

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chemischem oder elektrochemischem Wege, mit Hilfe elektrostatischer oder elektrophoretischer Auftragsverfahren, durch Aufdampfen im Vakuum oder mit Hilfe eines anderen geeigneten Verfahrens hergestellt werden. Wie erwähnt, kann die dünne Schicht aus magnetischem Material auch aus ferromagnetischem Metallpulver oder aus Pulver von magnetischen Mischoxiden bestehen, die mit Hilfe eines geeigneten isolierenden Bindemittels auf den Draht aufgetragen werden.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der mit einer dünnen magnetischen Schicht überzogenen Leiterdrähte besteht darin, daß mit dem magnetischen Material überzogenes Stabmaterial zu Draht ausgezogen wird. Man kann auch Folien eines magnetischen Metalls oder einer magnetischen Legierung spiralförmig auf den Draht aufwickeln und dann die Isolierhülle aufbringen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, jeden dünnen Leiterdraht mit mindestens zwei Schichten aus magnetischem Material zu überziehen und dabei eine Schicht von der anderen durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht zu trennen.

Unabhängig von dem vorstehend erwähnten Effekt einer Konzentration der magnetischen Kraftlinienfelder besteht ein weiterer Vorteil der dünnen magnetischen Schichten darin, daß sie gleichzeitig die Stärke des magnetischen Feldes zwischen benachbarten Einzeldrähten verringern und infolgedessen die zwischen diesen Einzeldrähten induzierte Spannung herabsetzen, wodurch die dielektrischen Verluste in den isolierenden Drahtummantelungen im Vergleich zu Litzenleitern bekannter Art beträchtlich verringert werden. Diese Verringerung der dielektrischen Verluste ermöglicht den Einsatz der neuen Litzenleiter für die Fortleitung von Hochfrequenzströmen von

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beträchtlich höherer Frequenz, als dies bei Litzenleitern
bekannter Art möglich ist.

Die isolierende Umhüllung der Einzeldrähte dient nicht nur
wie bei den bekannten Litzenleitern zur elektrischen Isolierung der Einzeldrähte gegeneinander, um Verluste durch Stromübergang zwischen den Einzeldrähten zu verhindern, sondern
sie dient auch zur magnetischen Isolierung der Einzeldrähte
gegeneinander, um das von den in der Gesamtheit der Drähte
fließenden Strömen erzeugte Magnetfeld hinreichend zu
schwächen.

Die Dicke der Schicht aus magnetischem Material beträgt zwischen 1/3 und 1/100 des Einzelleiterradius.

Die Dicke der isolierenden Ummantelung oder Umhüllung beträgt im allgemeinen zwischen 1/10 und 1/3 des Radius der
metallischen Leiterseele des betreffenden Einzelleiters.

Die Verringerung der Wirbelstromverluste bei dem elektrischen Leiter gemäß der Erfindung ermöglicht bei einem Massivleiter eine Erhöhung des für den Stromdurchgang nutzbaren Querschnitts in einem Maße wie bei einem Litzenleiter.

Bei Verbindungsleitungen mit zwei koaxial angeordneten Leitern kommt es- zu einer Erhöhung der Selbstinduktion, was für eine Signalübertragung auf mittlere oder kurze Entfernung ein nicht zu unterschätzender Vorteil darstellt, bei einer Signalübertragung auf große Entfernung aber störend sein kann, da eine derartige Erhöhung der Selbstinduktion eine Verringerung der Stromleitungsgeschwindigkeit zur Folge hat.

Bei supraleitenden Kabeln, die aus Leitern gemäß der Erfin-

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dung aufgebaut sind, kann das kritische äußere Feld beträchtlich verstärkt und die magnetische Instabilität verringert werden.

"Bei Verbindungsleitungen für Ströme mit Industriefrequenz, aber hohen Stromstärken von beispielsweise über 5OOO A, können die bekannten Hohlleiter durch Leiter gemäß der Erfindung ersetzt werden.

Im folgenden wird gezeigt werden, daß man die besten Ergebnisse hinsichtlich der Verringerung der Wirbelstromverluste und der dielektrischen Verluste in den Isolierummantelungen der Einzeldrähte erhält, wenn ein Litzenaufbau verwendet wird, wie er auch bei den bekannten Litzenleitern normalerweise Anwendung findet. Man wird jedoch aufsehen, daß die Grundlitzen, die bei den -bekannten Litzenleitern nur eine einzige um die Isolierseele angeordnete Schicht von Einzeldrähten tragen, gemäß der Erfindung eine größere Anzahl Litzenschichten aufweisen können. Dabei kann jede Grundlitze gegebenenfalls mit einer Isolierumhüllung versehen sein.

Man kann auch - selbst bei den Grundlitzen - den mittleren Teil der Litze nicht nutzen und eine isolierende Voll- oder Hohlseele vorsehen.

Eine bestimmte Anzahl von Grundlitzen kann spiralförmig um eine Isolierseele - ebenfalls voll oder hohl - gewickelt werden, so daß man eine Sekundärlitze oder ein Kabel erhält.

Eine bestimmte Anzahl von Sekundärlitzen kann in der gleichen Weise um eine volle oder hohle Isolierseele gewickelt werden, so daß man eine Tertiärlitze .oder ein Kabel erhält. In dieser

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Weise kann man fortfahren. Die Anzahl der Einzelleiter oder Grundlitzen zur Herstellung höhergradiger Litzen hängt von dem gewünschten Querschnitt ab.

Bei koaxialen Kabeln besteht der Mittelleiter aus einer bestimmten Anzahl von Grund- oder Sekundärlitzen oder Litzen n.Grades, die spiralförmig um eine Isolierseele oder einen isolierenden Träger des Mittelleiters gewickelt sind. Der Außenleiter solcher koaxialer Kabel besteht ebenfalls aus einer bestimmten Anzahl von Grund- oder Sekundärlitzen oder Litzen η-Grades, die spiralförmig um einen Hohlträger gewickelt sind, der den Innenleiter koaxial umgibt.

Selbstverständlich kann jeder Litzenleiter, gleich welchen Grades, mit einer isolierenden Umhüllung versehen werden, die von dem Litzenleiter durch eine magnetische Schicht getrennt ist. ■

Die größte Anzahl der Einzelleiter für den Aufbau eines Litzenleiters und der Verlitzungsgrad hängen von bestimmten Parametern ab, insbesondere von dem Durehmesser des Drahtes, der den Einzelleiter bildet, der permeabilität und Schichtdicke der magnetischen Schicht und der isolierenden Umhüllung, der Stromfrequenz sowie der Dielektrizitätskonstante und des Verlustfaktors der isolierenden Umhüllung.

Bei der Verwendung des Leiters zur Herstellung von Verbindungen für sehr hohe Frequenzen wird man als magnetisches Material vorzugsweise Pulver aus magnetischem Metall oder Mischoxiden verwenden, die mit Hilfe eines Bindemittels auf die Leiterseele aufgetragen werden. Auf diese Weise erhält man Leiter mit minimalen Wirbelstrom_verlusten.

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Derartige Leiter eignen sich auch zur Herstellung elektrischer Verbindungen für niederfrequente Ströme, insbesondere im Gebiet der Supra- oder Hyperleitfähigkeit, wo Verluste durch Wirbelströme oder Stromübergänge zwischen den einzelnen Drähten eines mehradrigen Leiters bekannter Art eine bedeutende Höhe annehmen können.

Leiter .gemäß, der Erfindung können auch -zur Herstellung von Hochfrequenz-Selbstinduktionsspulen mit verringerten Wirbelstrom- und/oder minimalen dielektrischen Verlusten verwendet werden. Hierbei kann man neben den Grundlitzen oder Litzen verschiedenen Grades auch einen vollen Einzelleiter verwenden, bei dem gemäß der Erfindung die Leiterseele von der isolierenden Ummantelung durch eine dünne Schicht aus magnetischem Material getrennt ist.

Leiter gemäß der Erfindung können auch zur Herstellung der Induktionswicklungen von Induktionsöfen oder der Wicklungen elektrischer Maschinen großer Leistung verwendet werden.

Die Erhöhung des nutzbaren Querschnitts bei bekannten Litzenleitern ist durch den wirtschaftlich herstellbaren Mindestdurchmesser der Einzelleiter, der seinerseits wieder von technologischen Paktoren, wie der mechanischen Festigkeit der Einzelleiter, abhängt, und durch die Erhöhung der dielektrischen Verluste in der isolierenden Umhüllung der Einzelleiter begrenzt. Bei dem Litzenleiter gemäß der Erfindung kann man für den gleichen nutzbaren Querschnitt eine beachtliche Durchmesserverringerung erzielen, indem man Einzeldrähte üblicher Herstellung verwendet, deren Verlitzung dadurch vereinfacht wird, daß die Anzahl der Einzeldrähte je Grundlitze erhöht werden kann.

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Bei Frequenzen oberhalb 2 MHz, bei denen herkömmliche Litzenleiter wegen zu großer dielektrischer Verluste nicht mehr verwendet werden können, zeigt ein Vergleich des Kabeldurchmessers von Volleitern und von Litzenleitern gemäß der Erfindung den Vorteil der erfindungsgemäßen Litzenleiter, der sich aus der Möglichkeit der Verwendung herkömmlich hergestellter Drähte ergibt.

Bei Ultrahochfrequenzanwendungen, wie dielektrischen Heizeinrichtungen, Kabeln von Leifetungsantenneη und Pernübertragungskabeln, gibt die nachstehende Tabelle 1 als Beispiel in Abhängigkeit von einer bestimmten Anzahl von Parametern, wie dem Durchmesser des verwendeten Kupferdrahtes, die Dicke der magnetischen Schicht und der isolierenden Umhüllung, die Anzahl der bei den verschiedenen Frequenzen verwendeten Einzeldrähte, den Durchmesser des hergestellten Litzenleiters, den nutzbaren Querschnitt des Litzenleiters und den nutzbaren Querschnitt eines Volleiters gleichen Außendurchmessers an.

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Tabelle 1 Kabel aus Litzenleiter für Ultrahochfrequenz; ^ 1 MHz

Kabel für dielektrische Heizeinrichtungen Kabel für Leistungsantennen
Pernübertragungskabe1

1. Betriebsfrequenz in MHz

2. Durchmessers des Kupferdrahtes in mm

3. Dicke der magnetischen Schicht in JLm

4. Natur der Schicht

5. Dicke der Isolierung in^m

6. Anzahl der Drähte des Kabels

7. Durchmesser des Litzenleiters in mm '

8. Nutzbarer Querschnitt des Litzenleiterkabels in mm-

9. Nutzbarer Querschnitt eines Vollleiters von gleichem Außendurchmesser in mm"

4	20	100
0,02	0,01	0,02
1	1	3
Eisen 2-3	' Elsen 2-3	Misch oxide 2-3
25000	30000	1000
10	10	3

7,5 1,1

2,2

0,5

0,3

0,07

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Zunahme an nutzbarem Querschnitt bei gleichem Durchmesser je nach Frequenz das K- bis 7-fache beträgt.

Bei Anwendung des Leiters im Bereich der Mittel- und Hochfrequenz, d.h. bei Frequenzen zwischen 1 kHz und 1 MHz, wie für Kabel von Induktionsheizanlagen, wo die größten Verluste durch Wirbelströme eintreten, Fernmeldekabel für Frequenzen oberhalb kHz und Induktionswicklungen für die Mitte If requenz-

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erwärmung z.B., gibt die nachstehende Tabelle 2 in Abhängigkeit von dem Durchmesser des verwendeten Kupferdrahtes die Dicke der magnetischen Schicht und der isolierenden Umhüllung, die Anzahl der parallel angeordneten Einzelleiter in jedem Fall, den Gesamtdurchmesser des Leiters, den nutzbaren Querschnitt und die höchstzulässige Stromstärke in einem koaxialen Kabel mit zwei konzentrischen Leitern an.

Tabelle 2 Litzenkabel für Mittel- und Hochfrequenz {1 bis 1000 kHz)

Kabel für Induktionsheizeinriehtungen Verluste durch Wirbelströme)

Fernmeldekabel (f >l00 kHz)
Induktionswicklung für Mittelfrequenzerwärmung

Durchmesser des Kupfer drahtes in mm	0,6	0,6	0,12	0,20
Dicke der magnetischen Schicht -'Eisen in Jtm)	4	4	3	5
Schichtdicke der Draht isolierung in mm	0,06	0,06	0,01	0,02
Anzahl der Drähte	1300	220	12000	1300
Durchmesser des Litzen leiters in mm	45	15	40	15
Nutzbarer Querschnitt in mm²	360	60	l40	40

Zulässige Stromstärke in

einem koaxialen Kabel mit

zwei konzentrischen Leitern

in A . 600-700 180-220 400-450 15O-I8O

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Tabelle 5 enthält zum Vergleich entsprechende Zahlenangaben für bekannte Litzenleiter gleichen Durchmessers, d.h. ihren nutzbaren Querschnitt, die Anzahl der Einzeldrähte und den Durchmesser des verwendeten Kupferdrahtes.

Tabelle

Durchmesser des Kupfer drahtes in mm	0,16	0,16	o,o4	0,06
Anzahl der Drähte	7800	1300	60000	5000
Durchmesser des Leiters in mm	45	15	40	15
Nutzbarer Querschnitt in mm2	155	26	72	14

Nachstehend sei auch noch die Verwendung von Kabeln aus Litzenleiter gemäß der Erfindung für den Transport.von Strömen mit Industriefrequenz und Stromstärken oberhalb 5000 A im Gebiet der Hyperleitfähigkeit bei Kühlung durch flüssigen Stickstoff untersucht.

In diesem Falle eignet sich als elektrischer Leiter am besten Beryllium, da dessen Widerstand bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs nur 1/10 desjenigen des Kupfers bei gewöhnlicher Temperatur beträgt.

Die nachstehende Tabelle 4 ermöglicht für verschiedene nutzbare Querschnitte zur Leitung von Strömen sehr hoher Stromstärke einen Vergleich der jeweiligen Durchmesser der Einzeldrähte, die jeweils einen Einzelleiter bilden, sowie der An-

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zahl der jeweils verwendeten Einzeldrähte und der Leiterdurchmesser für bekannte Litzenleiter und für Litzenleiter gemäß der Erfindung.

Tabelle

Kabel für den Transport von Strömen mit Industriefrequenz (50 Hz) und sehr hohen Stromstärken ( > 5000 A) im Bereich der Hyperleitfähigkeit bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff (80°K).

^Elektrischer Widerstand des Berylliums 1/10 desjenigen des Kupfers bei gewöhnlicher Temperatur.)

Nutzbarer Quer-, schnitt 1100 mm*

Litzenleiter der Erfindung

Drahtdurchmesser 1 mm

Leiterdurchmesser 9 cm

Anzahl der Drähte 13OO

Bekannter Litzen-Leiter;

0,4 mm

11 cm 8OOO

Nutzbarer Quer-p schnitt 16OO mm

Drahtdurchmesser 1 mm

Leiterdurchmesser 12 cm

Anzahl der Drähte 2000

0,5 mm

14 cm 8OOO

Nutzbarer Querτ schnitt 2200 mm

Drahtdurchmesser 1 mm

Leiterdurchmesser 18 cm

Anzahl der Drähte 2800

0,24 mm

22 cm 50000

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Wie ersichtlich, ist in allen Fällen der Durchmesser des zur Herstellung des bekannten Litzenleiters verwendeten Drahtes sehr vjziiel kleiner als derjenige der Drähte, die den Litzenleiter gemäß der Erfindung bilden, während der Durchmesser der bekannten Litzenleiter ein wenig größer als derjenige der Litzenleiter gemäß der Erfindung ist. Die Anzahl der verwendeten Einzeldrähte ist im Falle der bekannten Litzenleiter beträchtlich größer, so daß durch Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen neuen Litzenleiters eine beträchtliche Einsparung an Investitionskosten erzielt werden kann.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird eine Reihe von Litzenleitern gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Einzelleiter gemäß der Erfindung, bei dem zwischen der Leiterseele und der Isolierumhüllung eine magnetische Schicht angeordnet ist;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Grundlitzenleiter, der durch Verlitzung einer bestimmten Anzahl der in Fig. 1 dargestellten Einzelleiter hergestellt worden ist;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen als sekundären Litzenleiter bezeichneten Leiter, der durch spiralförmige Umwicklung einer isolierenden Vollwandseele mit sechs der in Fig. 2 dargestellten Grundlitzenleitern hergestellt worden ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Leiter ähnlich dem-

-H-

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jenigen von Fig.- 3, bei dem aber zwölf Grundlitzenleiter des gleichen Typs spiralförmig um eine isolierende Hohlseele gewickelt sind;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Kabel, das aus sechs sekundären Litzenleitern der in Fig. 3 dargestellten Art besteht, die spiralförmig um eine isolierende Hohlseele gewickelt sind;

Fig. 6 einen Querschnitt ähnlich demjenigen von Fig. 5, bei dem aber zwölf sekundäre Litzenleiter spiralförmig um eine isolierende Hohlseele von größerem Durchmesser gewickelt sind; und

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein koaxiales Kabel, das aus einem Innenleiter der in Fig. 4 dargestellten Art besteht, der von einem Außenleiter umgeben ist, bei dem 24 Grundlitzenleiter spiralförmig um eine isolierende Hohlseele von größerem Durchmesser gewickelt sind.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß jeder Einzelleiter 1 aus einer metallischen Seele 2 besteht, die von einer magnetischen Schicht 5 umgeben ist, die ihrerseits von einer Isolierhülle umgeben wird.

Der Grundlitzenleiter 5 der Fig. 2 wird durch Verlitzung einer großen Anzahl Einzelleiter der in Fig. 1 vergrößert dargestellten Art erhalten.

Das in Fig. 3 dargestellte Kabel besteht aus sechs Grundlitzenleitern 5 der in Fig. 2 dargestellten Art, die spiral-

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förmig um eine Vollwandseele 7 gewickelt sind.

Das in Fig. Λ dargestellte Kabel 8 besteht aus 12 Grundlitzenleitern 5, die spiralförmig um eine isolierende Hohlseele 9 gewickelt sind.

Das in Fig. 5 dargestellte Kabel 10 besteht aus sechs sekundären Litzenleitern der in Fig. 3 dargestellten Art, die um eine isolierende Hohlseele 11 gewickelt sind. Der in Fig. 6 dargestellte Leiter 12 besteht aus 1?. sekundären Litzenleitern des in Fig. 3 dargestellten Typs 6, die spiralförmig um eine isolierende Hohlseele 13 von größerem Durchmesser gewickelt sind.

Das in Fig. 7 schließlich dargestellte koaxiale Kabel besteht aus einem Innenleiter F der in Fig. 4 dargestellten Art und einem Außenleiter 14, der von 24 Litzenleitern 5 des in Fig.2 dargestellten Typs gebildet wird, die spiralförmig um eine isolierende Hohlseele 15 gewickelt sind.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele anzusehen, die in mancher Hinsieht abgeändert werden können, ohne daß dadurch das Wesen der Erfindung berührt wird.

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Claims

10.6. 1974

• A-

Ansprüche

Γ ι-Ie:

1. Elektrischer Litzenleiter, bestehend ausjgegeneinander ^«^-^isolierten Einzeldrähten, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Einzeldrähten (1) zwischen der leitenden Seele (2) und der isolierenden Ummantelung (4) mindestens ejhe dünne Schicht (J) aus magnetischem Material angeordnet ist.

2. Elektrischer Litzenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht O) aus einem ferromagnetischen Metall oder einer ferromagnetischen Legierung besteht.

j5. Elektrischer Litzenleiter nach Anspruch 1, dadurch ge-' kennzeichnet, daß die dünne Schicht (J) aus Pulver von ferromagnetischem Metall oder magnetischen Mischoxiden besteht, das mit Hilfe eines isolierenden Bindemittels auf der leitenden Seele (2) befestigt ist.

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