DE3305007C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftdrosselspule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Drosselspulen wirken raschen Änderungen der Stromstärke entgegen und werden zu verschiedenen Zwecken verwendet, z. B. als Trägerfre­ quenzsperren, als Kurzschlußdrosselspulen zur Strombegrenzung, als Filterdrosselspulen in Schwingkreisen, als Stromanstiegs- und Glättungsdrosselspulen.

Eine gattungsgemäße Luftdrossel ist aus der DE-AS 21 00 629 bekannt, deren Wicklung aus einem schraubenlinig gewickel­ ten Leiter mit rundem Querschnitt gefertigt ist. Bei dieser Wick­ lung werden, über den Umfang der Wicklung verteilt, Isolierbänder in Längsrichtung außen auf die Wicklung aufgebracht und durch ein aufgewickeltes schnurartiges Element zwischen die einzelnen Win­ dungen hineingezogen. Die Isolierbänder übernehmen dann die Distanzierung der Windungen in axialer Richtung. Das schnurartige Element verbleibt in der Wicklung, welche schlußendlich mittels eines Klebstoffes innig verklebt wird. Die Strömung der Umgebungs­ luft durch die radial verlaufenden Zwischenräume zwischen den Win­ dungen wird hier durch das verbliebene schnurartige Element behin­ dert, was zur Folge hat, daß die Windung mit vergleichsweise schlechtem Wirkungsgrad gekühlt wird.

Aus der US-Patentschrift 27 16 695 ist eine Drosselspule bekannt, die einen rechteckigen Leiter aufweist. Die einzelnen Windungen der Drosselspule sind mittels eingeschlaufter Bänder distanziert, allerdings kann der so gewonnene Abstand zwischen den Windungen nicht für das Durchströmen eines Kühlmediums verwendet werden, da die Drosselspule eng um ein Rohr gewickelt ist.

Es ist eine Luftdrosselspule gemäß der Schrift DE-OS 22 18 018 bekannt mit einer Wicklung, bei welcher der Spulenleiter von iso­ lierenden Bändern umhüllt und benachbarte Wicklungen jeweils mit­ einander verklebt sind. Derartige Luftdrosselspulen zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit und Kompaktheit aus, ermöglichen aber nur axiale Luftströmung durch die Spule, was die Kühlung der oberen Teile insbesondere von inneren Wicklungen mehrlagiger Luftdrosselspulen beeinträchtigt, außerdem kann das von der Spule erzeugte Magnetfeld dem Spulenleiter nicht ausweichen und ruft in demselben Wirbel­ ströme hervor, die ihn zusätzlich erwärmen.

Da die Temperatur des Spulenleiters unterhalb eines gewissen Grenzwertes bleiben soll, muß sein Querschnitt umso größer sein, je weniger effizient die Kühlung ist bzw. je mehr zusätzliche Faktoren zu seiner Erwärmung beitragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei gattungsgemäßen Luftdros­ selspulen die Kühlung zu verbessern und die Wirbelstrombil­ dung wesentlich zu reduzieren sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Drosselspulen anzugeben.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft eine Luftdrosselspule, bei der zusätzlich zur axialen Luftströmung auch noch radiale Luftströmung durch den jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Win­ dungen durch Beabstandung derselben gebildeten Luftspalt auftritt, wodurch die Kühlung besonders des oberen Teils der Luftdrosselspule wesentlich verbessert wird. Besonders stark wirkt sich diese Verbesserung der Kühlung bei inneren Wicklungen mehrlagiger Drosselspulen aus. Wegen der hohen mechanischen Belastungen, die bei Kurzschlüssen auftreten, muß eine Luftdrosselspule bezüglich Festigkeit und Schwin­ gungseigenschaften hohen Anforderungen genügen, die bei der erfindungsgemäßen Luftdrosselspule trotz der Verwendung eines Spulenleiters von verhältnismäßig geringer mecha­ nischer Festigkeit dank einer Vorspannung in axialer Rich­ tung erfüllt werden.

Es ist auch eine Luftdrosselspule mit beabstandeten Windungen bekannt (Publikation 231.1, 2. Auflage vom 4.1978 der Firma Haefely & Cie. AG), bei welcher als Spulenleiter ein massiver Leiter zum Einsatz kommt. Dadurch sind eben­ falls neben guter Kühlung und Vermeidung von Wirbelströmen die erforderlichen mechanischen Eigenschaften gewährleistet. Jedoch ist der massive Leiter wesentlich schwieriger zu verarbeiten, da er nicht einfach gewickelt werden kann, sondern z. B. mittels einer 3-Rollen-Biegeeinrichtung ge­ bogen werden muß. Zudem kann er mit vertretbarem Aufwand kaum präzis genug für einen genauen Abgleich der Induktivi­ täten parallel geschalteter Wicklungen, wie er für eine gleichmäßige Aufteilung des Stromes auf dieselben nötig ist, geformt werden und ist deshalb zum Aufbau mehrlagiger Spulen kaum geeignet. Das bedeutet, daß nur gattungsgemäße Luftdrosselspulen, neben den sonstigen Vorteilen mehrlagiger Spulen wie Kompaktheit bei hoher Leistung, eine volle Ausnutzung der radialen Luftströmung, die sich, wie erwähnt, vor allem bei den inneren Wicklungen mehrlagiger Spulen auswirkt, bieten können.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß auf Grund der verbesserten Kühlung der Querschnitt des Spulenleiters geringer gehalten werden kann und dadurch Material und Gewicht eingespart werden und außerdem eine Isolierung der Windungen wegen ihrer Beab­ standung entfallen kann bei gleichzeitiger Wahrung der Vorteile gattungsgemäßer Luftdrosselspulen wie Einfachheit der Herstellung, Möglichkeit genauen Abgleichs und damit der Mehrlagigkeit. Zugleich wird ein Verfahren zur Herstel­ lung einer erfindungsgemäßen Luftdrosselspule angegeben, das einfach auszuführen sowie in einzelnen Verfahrensschrit­ ten vollständig automatisierbar und daher sehr kostengünstig ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur einen Aus­ führungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsge­ mäße Drosselspule;

Fig. 2 einen Querschnitt (längs II-II in Fig. 1) durch dieselbe Drosselspule;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, entspre­ chend dem dort gestrichelt eingezeichneten Rechteck III, wobei insbesondere die dort aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassenen Beabstandungsmittel dargestellt sind und das Verspannband 9a weggelassen ist.

Fig. 4 anhand eines Querschnitts durch die Randwindungen einer erfindungsgemäßen Luftdrosselspule die Veran­ kerung fakultativer zusätzlicher Verspannbänder, an der in den Fig. 1-3 dargestellten Drosselspule;

Fig. 5 einen weiteren, schematisch gezeichneten axialen Längsschnitt, anhand dessen das Prinzip der Kühlung der in den vorstehenden Figuren dargestellten Drossel­ spule verdeutlicht wird, und

Fig. 6 anhand eines schematischen Querschnitts durch einen Teil einer Wicklung das Anbringen von Distanzierungs­ bändern bei der Herstellung der in Fig. 1-3 darge­ stellten Drosselspule.

In mehreren Figuren dargestellte Teile sind dort jeweils gleich bezeichnet.

In den Figuren ist eine Luftdrosselspule dargestellt, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau drei aus Drahtseil annähernd quadratischen Querschnitts bestehende zylindrische Wicklungen 1a, b, c enthält, welche verschiedene Radien aufweisen und mit Abstand koaxial ineinander verschachtelt sind. Am oberen und am unteren Ende der Wicklungen 1a, b, c sind ein oberer Tragstern 2a und ein unterer Tragstern 2b befestigt, die aus Metall bestehen, und mit denen die Enden der Wicklungen 1a, b, c elektrisch leitend verbunden sind. Vorstehende Teile an den Tragsternen 2a, 2b dienen als elektrische Anschlüsse 3a, 3b. Die Wicklungen 1a, b, c sind durch äußere Distanzierungsstäbe 4a, b, c, d, e, f, g, h und innere Distanzierungsstäbe 5a, b, c, d, e, f, g, h (alle in Fig. 1 nicht dargestellt), welche aus isolierendem Material, z. B. faserverstärktem Kunststoff, bestehen, voneinander beabstandet.

Erfindungsgemäß sind aufeinanderfolgende Windungen der einzelnen Wicklungen 1a, b, c jeweils durch mehrere über den Umfang der Windungen verteilte Abstandhalter, welche vorzugsweise durch jeweils zwischen aufeinanderfolgende Windungen 6a, b, c ... eingeschlaufte Abschnitte von mehreren über den Umfang der jeweiligen Wicklung verteilten, an deren Außenseite anliegenden und im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden isolierenden Distanzierungsbändern 7a, b, ... oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern gebildet sind, beabstandet und bilden zwischen sich Luftspalte 8a, b, c. Die Luftspalte 8a, b, c ermöglichen die Ausbildung eines radialen Kühlluft­ stroms, welcher die Kühlung insbesondere der inneren Wick­ lungen 1b, c verbessert. Die Breite der Luftspalte 8a, b, c wird jeweils durch die Dicke der jeweiligen Distanzie­ rungsbänder 7a, b, ... bzw. Gruppen von parallelen aufeinan­ derliegenden Distanzierungsbändern festgelegt und kann über einen weiten Bereich variiert werden. Als Material für die Distanzierungsbänder hat sich besonders Mischgewebe mit hohem Glasfaseranteil bewährt, da es sehr fest und nur begrenzt kompressibel ist, wodurch eine genaue Einstel­ lung der Breite des Luftspalts möglich ist.

Außerdem ist die Luftdrosselspule in axialer Richtung vorgespannt, wobei sich die Stärke der Vorspannung nach mechanischen Parametern wie etwa der Festigkeit der Spulen­ leiter und den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen richtet. Für die hier besonders ins Auge gefaßten Anwen­ dungsbereiche wird sie im allgemeinen über 4t/Wicklung, vorzugsweise zwischen 6 und 8t/Wicklung betragen. Die Vorspannung wird durch zwischen die Tragsterne 2a, b gespann­ te Verspannbänder 9a, b, c, d, vorzugsweise aus glasfaser­ verstärktem Kunststoff, aufrechterhalten.

Um eine gleichmäßige Verteilung der Vorspannung zu erreichen, kann es, insbesondere bei Drosselspulen großen Durchmessers, von Vorteil sein, weitere Verspannbänder anzubringen. Zu diesem Zweck kann man an mehreren Stellen des Umfanges der Drosselspule an deren entgegengesetzten Enden Brücken 10, z. B. aus faserverstärktem Kunstharz, anbringen, welche sich in radialer Richtung erstrecken und auf die Randwin­ dungen der Wicklungen 1a, b, c abgestützt sind und über je zwei gegenüberliegende Brücken 10 in den Zwischenräumen zwischen den Wicklungen 1a, b, c weitere Verspannbänder 9e, f, ... spannen (Fig. 4). Diese Art der Anbringung von Verspannbändern ist auch bei Drosselspulen ohne Tragsterne möglich. Durch die Verspannung verbessern sich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere das Schwin­ gungsverhalten, der Spule wesentlich. Diese Wirkung dürfte mindestens zum Teil darauf beruhen, daß insbesondere der die Spule in axialer Richtung zusammendrückenden Kraft, wie sie im Kurzschlußfall einwirkt, schon bei geringfügiger Verformung der Drosselspule eine starke elastische Gegen­ kraft entgegenwirkt, während sich eine solche bei nicht vorgespannter Drosselspule gemäß dem Hooke′schen Gesetz erst proportional zur Verformung aufbauen würde.

Weiters weist die Luftdrosselspule einen vorzugsweise scheibenförmig ausgebildeten und auf der Höhe des unteren Spulenendes liegenden Schirm 11 auf, welcher mit dem unteren Rand der innersten Wicklung 1c einen umlaufenden Spalt 12 von etwa 3 mm Breite bildet, der nur durch die Ausnehmungen 13a, b, c, d für die Bänder 9a, b, c, d unterbrochen ist. Der Schirm besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Epoxyharz. Es hat sich herausgestellt, daß die Anbringung des Schirms 11 die Kühlung der Drosselspule wesentlich verbessert. Insbesondere kann die im oberen Spulenbereich auftretende maximale Übertemperatur ("hot spot") durch diese Maßnahme um 20-30% gesenkt werden. Die Erklärung für dieses Phänomen ist wohl darin zu sehen, daß durch das Aufsteigen der durch die Spule erwärmten Luft im Spulen­ inneren durch den Spalt 12 kalte Luft angesaugt wird und eine laminare Strömung längs der inneren Begrenzungsfläche der innersten Wicklung 1c entsteht. Durch die Strömung entsteht dort gemäß der Bernoullischen Gleichung ein Unterdruck und es wird weitere, durch die Luftspalte 8a, b, c zwischen den Windungen der Wicklungen 1a, b, c strömen­ de Kaltluft angesaugt. Der Verlauf des Kühlluftstromes ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.

Durch Anbringung von Vogelschutzgittern oder eines z. B. dem Schirm 12 gleichenden Deckels am oberen Ende der Spule, wie das bei bestimmten Einsatzbedingungen erforderlich ist, wird dieser Effekt nicht nennenswert beeinträchtigt.

Im folgenden wird ein nur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Luft­ drosselspule darstellendes Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Drosselspule angegeben.

Erst wird auf einen zylindrischen Wickeldorn die innerste Wicklung 1c aus Drahtseil annähernd quadratischen Querschnitts schraubenlinienförmig gewickelt.

Erfindungsgemäß erfolgt das Wickeln derart, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen (z. B. Windungen 6a, b) ein Luftspalt 8c frei bleibt.

Nach Fertigstellung der Wicklung 1c werden über den Umfang derselben verteilt nacheinander mehrere Distanzierungs­ bänder 7a, b, ... angebracht, indem jeweils ein Distanzie­ rungsband 7a, b ... an einem Ende der Wicklung 1c, vorzugs­ weise mit einer Heftklammer, fixiert wird und in axialer Richtung zum entgegengesetzten Ende der Wicklung 1c hin vorrückend mittels eines spachtelartigen Einschiebewerkzeugs 14 in die den Luftspalt 8c bildenden Zwischenräume zwischen den Windungen 6a, b, ... derart eingeschlauft wird, daß das Distanzierungsband 7a, b, ... jeweils an der Außenseite jeder Windung 6a, b, ... anliegt und indem dasselbe nach Erreichen des gegenüberliegenden Endes der Wicklung 1c dort ebenfalls fixiert wird.

Das Einschlaufen von Distanzierungsbändern 7a, b, ... ist in Fig. 6 dargestellt, wobei dort die bei großer Breite des Luftspalts 8 vorteilhafte Verwendung einer Gruppe von in diesem Fall zwei parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern 7a, 7a′ statt eines einzigen Distan­ zierungsbandes 7a dargestellt ist.

Das Anbringen der Distanzierungsbänder in der eben beschrie­ benen Weise, welches sich bei den Windungen 1b, 1a in gleicher Weise wiederholt, kann vollständig automatisiert ausgeführt werden.

Nach Fertigstellung der innersten Wicklung 1c einschließlich des Anbringens der Distanzierungsbänder werden an derselben die inneren Distanzierungsstäbe 5a-h angebracht und über dieselben die mittlere Wicklung 1b gewickelt und mit Distanzierungsbändern versehen. Dabei ist auf eine sorgfältige Regelung des Zugs, unter dem das Drahtseil während des Wickelvorganges steht, zu achten, damit eine gleichmäßige Ausbildung der Wicklung 1b erreicht wird und insbesondere keine Knickstellen des Spulenleiters an den Distanzierungsstäben 5a-h auftreten.

Nach Anbringen der äußeren Distanzierungsstäbe 4a-h wird die äußere Wicklung 1a in zur Herstellung der mittle­ ren Wicklung 1b völlig analoger Weise hergestellt.

Anschließend wird die fertig gewickelte und mit allen Distanzierungsbändern versehene Drosselspule in axialer Richtung gepreßt und mittels Kistenbändern provisorisch fixiert. Das Pressen wird vorzugsweise sektorenweise durch­ geführt, da sich dadurch die aufzuwendenden Kräfte wesent­ lich verringern.

Nach der provisorischen Fixierung wird die Drosselspule vom Wickeldorn abgenommen, dann werden der Schirm 11 und die Tragsterne 2a, b montiert, anschließend die ganze Drosselspule in Epoxyharz getaucht und dann letzteres durch Erhitzen der Drosselspule ausgehärtet. Das Tauchen in Epoxyharz dient dem Korrosionsschutz und vor allem der Imprägnierung der Distanzierungsbänder, welche sonst Wasser aufnehmen und sich dadurch in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften verändern könnten. Es wäre auch möglich, von vornherein bereits imprägnierte Bänder zu verwenden.

Nach dem Aushärten des Epoxyharzes werden die Verspannbänder 9a, b, ... aus glasfaserverstärktem Kunststoff angebracht und zur Herstellung der Vorspannung derart angezogen, daß sie sich um 5-10% dehnen. Anschließend werden die Kistenbänder entfernt.

Claims (9)

1. Axialsymmetrische Luftdrosselspule mit einer vertikal ausgerichteten Spulenachse und in axialer Richtung zwischen Halteteilen vorgespannten Wicklung oder mehre­ ren, unterschiedliche Radien aufweisenden und koaxial mit Abstand ineinander verschachtelten Wicklungen (1a, b, c) aus einem Leiter mit mehreren Teilleitern, deren aufein­ anderfolgende Windungen (6a, b, ...) jeweils durch mehrere über den Umfang der Windungen verteilte isolie­ rende Abstandhalter beabstandet sind, wobei die Abstandhalter durch jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen (6a, b, ...) eingeschlaufte Abschnitte von mehreren über den Umfang der jeweiligen Wicklung verteilten, und im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden isolierenden Distanzie­ rungsbändern (7a, b, ...) oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter ein Drahtseil mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt ist, daß zwischen den Windungen (6a, b, ...) und zwischen den Abstandhaltern Luftspalte (8a; 8b; 8c) gebildet sind, wobei jeder Luftspalt (8) in axialer Richtung von zwei benachbar­ ten parallelen Oberflächen des Drahtseils begrenzt ist, und daß am unteren Ende der Luftdrosselspule ein scheibenförmig ausgebildeter Schirm (11) angeordnet ist, dessen Rand mit der zylindrischen inneren Begrenzungsfläche der innersten Wicklung (1c) des Drahtseils einen umlaufenden Spalt (12) bildet.

2. Luftdrosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Schirms (11) auf der Höhe des unteren Randes der innersten Wicklung (1c) verläuft.

3. Luftdrosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite des umlaufenden Spalts (12) höchstens 15 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm liegt.

4. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Distanzierungsbänder (7a, b, ...) aus einem Mischgewebe mit einem Glasfaseranteil von mindestens 70% bestehen.

5. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung der Vor­ spannung Verspannbänder (9a, b, ...) aus glasfaserver­ stärktem Kunststoff zwischen die Halteteile (Tragsterne 2a, b) gespannt sind.

6. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit mehreren koaxial mit Abstand ineinander verschachtelten Wicklungen (1a, b, c) dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung der Vorspannung zusätzliche Verspannbänder (9e, f, ...), vor­ zugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, jeweils über zwei an den entgegengesetzten Enden der Luftdrossel­ spule angeordnete Brücken (10) gespannt sind, welche sich in radialer Richtung erstrecken und auf mindestens zwei der Wicklungen abgestüzt sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer Luftdrosselspule gemäß Anspruch 1, bei welchem die eine Wicklung bzw. die mehre­ ren koaxialen Wicklungen (1a, b, c) schraubenlinienförmig gewickelt werden, und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen (6a, b, ...) einer Wicklung jeweils ein Luft­ spalt (8) freibleibt und nach Fertigstellung einer Wick­ lung jeweils über den Umfang derselben verteilt nachein­ ander mehrere Distanzierungsbänder (7a, b, ...) oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzie­ rungsbändern (7a + 7a′, ...) angebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Distanzierungsband (7a; 7b; ...) oder eine Gruppe von parallelen aufeinanderlie­ genden Distanzierungsbändern (7a + 7a′; ...) an einem Ende der Wicklung fixiert und in axialer Richtung zum entgegengesetzten Ende der Wicklung hin vorrückend mittels eines spachtelartigen Instruments (14) in den Luftspalt (8) eingeschlauft und nach Erreichen des gegenüberliegenden Endes der Wicklung dort ebenfalls fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, zur Herstellung einer Luft­ drosselspule mit mehreren koaxialen, mit Abstand ineinan­ der verschachtelten Wicklungen (1a, b, c), bei welchem die innerste Wicklung (1c) auf einen Wickeldorn gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede weitere Wicklung (1b; 1a) derart hergestellt wird, daß auf der jeweils nächstinneren Wicklung isolierende Distanzierungsstäbe (5a-h; 4a-h) angebracht und die weitere Wicklung (1b; 1a) über die Distanzierungsstäbe (5a-h; 4a-h) gewickelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fertigstellung sämtlicher Wick­ lungen (1a, b, c) die Luftdrosselspule in axialer Rich­ tung gepreßt und durch Verspannbänder (9a, b, ...) aus glasfaserverstärktem Kunststoff fixiert wird, welche der­ art angezogen werden, daß sie sich um 5-10‰ dehnen.