DE3407852C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird.

Es sind luftgekühlte Drosselspulen und Transformatoren als bekannt vorausgesetzt. Insbesondere sind luftgekühlte Drosselspulen bekannt, die eine Scheibenbauform aufweisen. Jede Scheibe besteht hierbei aus einem aufgerollten Metallband, dessen einzelne Lagen voneinander isoliert sind und an dessen Enden sich die elektrischen Zuleitungen befinden. Die Scheiben sind nebeneinander mit bestimmten Abständen voneinander angeordnet und in bestimmter Reihenfolge elektrisch miteinander verbunden. Die Abstände zwischen den Scheiben dienen der Zuführung kühlender Luft.

Eine derart luftgekühlte Drosselspule muß eine sehr große wärmeabgebende Oberfläche aufweisen, damit bei dem schlechten Wärmeübergang zur Luft die Verlustleistung abgeführt werden kann, ohne daß die zulässige Wicklungs­ temperatur überschritten wird. Dies hat ein großes Volu­ men und ein großes Gewicht der Drosselspule zur Folge und ist besonders nachteilig beim Einsatz der Drossel­ spule auf Fahrzeugen.

Es ist durch die DE-OS 28 07 809 ein Kühlsystem für ein elektrisches Induktionsgerät bekanntgeworden bei dem letztgenannte mit seinen elektrischen Anschlußleitungen voll in ein Füssig-Dielektrikum ein­ getaucht ist. Insbesondere wird als Induktionsgerät ein Transforma­ tor betrachtet, dessen Hochspannungsleiter und Niederspannungsleiter in Lagen konzentrisch um einen Kern gewickelt sind. Die einzelnen Doppellagen der beiden Leiter sind durch eine Vielzahl vertikal ange­ ordneter Abstandshalter auf Abstand gehalten, so daß eine Vielzahl vertikal verlaufender Kühlkanäle entsteht.

Aus dem JP-Abstract 58-75 810 vom 07. Mai 1983 ist eine "Heat Pipe" zur gleichmäßigen Temperatorverteilung in einem gewundenen Körper zu entnehmen. Es liegt kein Betrieb mit einer direkten Siedekühlung vor. Die Wärme wird über die ganze Fläche des Körpers abgegeben.

Aus dem "Archiv für Elektrotechnik" Band 56 (1974) Heft 3, Sei­ ten 128 bis 136 ist eine Berechnung der Wechselstromverluste von Bandleiterspulen bekannt.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spule der eingangs genannten Art anzugeben, die ein kleines Volumen, kleines Gewicht und eine geringe Verlustlei­ stung aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Das Verhältnis von Breite zu Dicke des Folienmaterials wird in Abhängigkeit vom Strom derart festgelegt, daß die auf die Oberfläche der Spule bezogene Verlustleistung so groß wird, daß die Flüssigkeit an der Spulenoberfläche zum Sieden kommt.

Mit dem breiten und sehr dünnen Folienmaterial ergibt sich eine kleine wärmeabgebende (Stirn-)Fläche, die zu den für das Sieden der Kühlflüssigkeit notwendigen Wärme­ stromdichten führt.

Die Spule gemäß der Erfindung kann auch beim Aufbau von Transformatoren Verwendung finden, indem Primär- und/oder Sekundärwicklung entsprechend aufgebaut und gekühlt werden.

Die Vorteile der Spule gemäß der Erfindung sind folgende:

• - Die Wärmeverlustleistung wird durch die Siedekühlung erheblich geringer als mit Luftkühlung, weil das Drossel­ spulenmaterial mit Siedekühlung in einem wesentlich niedrigeren Temperaturbereich betrieben werden kann.
• - Das Bauvolumen wird geringer zum einem, weil eine große Anzahl von Kühlluftspalten entfällt und die notwendigen Kühlspalten enger gehalten werden können, und zum ande­ ren, weil sich mit Folienmaterial eine bestimmte Anzahl von Windungen auf geringerem Durchmesser unterbringen lassen.
• - Die Ausbildung von Wirbelströmen kommt bei einem Folien­ leiter weniger zur Geltung, so daß diese Bauform auch für höhere Frequenzen (z. B. Kommutierungsdrosselspulen) infrage kommen kann, vgl. "Archiv für Elektrotechnik" Bd. 56 (1974) Heft 3, Seiten 128 bis 136 von Holz, J. "Die Minimierung der Wechselstromverluste in Hoch­ leistungsluftspulen aus Bandleitern".
• - Das Gewicht wird geringer, weil der Wickelfaktor für Folienleiter besser ist als mit Flachmaterial (die Windungszahl steht quadratisch in der Formel für die Induktivität, der mittlere Durchmesser nur linear).

Die Spule gemäß der Erfindung wird im nachstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

In der Figur ist mit 1 ein Metallfolienband bezeichnet, daß eine Breite b besitzt; es ist zu einer Spule 2 auf­ gewickelt, wobei im Innern eine zylinderförmige Öffnung freigehalten ist, in die ein Eisenkern eingefügt werden kann.

Das Folienband kann aus Kupfer oder zur weiteren Gewichts­ reduzierung aus Aluminium bestehen. Die einzelnen Lagen der Spule sind gegeneinander isoliert. Das äußere Ende des Folienbandes besitzt eine elektrische Zuleitung 3, die gegebenenfalls mit einem Isoliermantel 4 umgeben sein kann.

Entsprechend besitzt das innere Ende des Folienbandes einen elektrischen Anschluß, dessen Zuleitung gegebenen­ falls von einem Isoliermantel 5 umgeben ist.

Die Spule 2 ist in ein nicht dargestelltes Gefäß einge­ baut, derart, daß sie dieses in der Höhe (Durchmesser) fast vollständig ausfüllt. Als Siedekühlflüssigkeit wird Frigen (Difluordichlormethan), inerte Flüssigkeit oder auch entionisiertes Wasser verwendet.

Das Folienmaterial wird derart dünn gewählt, daß es bei vor­ gegebener Wicklungstemperatur (bestimmt durch die Isolier­ stoffklasse), nur noch mit Siedekühlung möglich ist, die Verlustleistung über die Stirnflächen abzugeben. Bei zu hoher Verlustleistung (Wicklungsgradoptimierung) kann zur Verringerung der Verlustleistung durch eine größere Folienbreite ein ausreichender Querschnitt zur Verfügung gestellt werden. Die Temperatur in der Mitte der Folie erhöht sich dabei nur unwesentlich, da sie weniger von der Leiterbreite als vom Wärmeübergang zwischen Leiter und Kühlmittel bestimmt wird, und dieser ist bei Siede­ kühlung im Vergleich zur Luft- oder Ölkühlung (z. B. bei herkömmlichen Transformatoren) wesentlich besser.

Claims (3)

1. Spule, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird, deren elek­ trischer Leiter aus einem aufgewickelten Band bestimmter Breite be­ steht, dessen Lagen untereinander isoliert sind, wobei im Betrieb die komplette Spule zur Kühlung in eine Siedeflüssigkeit getaucht ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lagen des Leiterbandes ein­ zeln isoliert sind,
und daß das Band aus einem sehr dünnen Folienmaterial besteht, dessen Dicke derart gewählt ist, daß die Spule an den Stirnseiten siedegekühlt wird.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule beim Aufbau von Transformatoren Verwendung findet.

3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Breite zu Dicke des Folienmaterials in Abhängigkeit von Strom und Frequenz derart festgelegt wird, daß bei vorge­ gebener Verlustleistung die Leistungsdichte an der Spulenoberfläche so groß wird, daß die die Oberfläche benetzende Flüssigkeit zumindest bei Nennstrom zu sieden beginnt.