DE3903587A1 - Koaxialer induktiver verbinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen koaxialen induktiven Verbinder.

Induktive Verbinder werden gewöhnlich zum lösbaren Verbinden elektrischer Strom- oder Datenübertragungsleitungen unter Umgebungsbedingungen benutzt, unter denen, wie z.B. in ex­ plosionsgefährdeter Umgebung oder unter Wasser, normale elektrische Steckverbinder nicht verwendet werden können.

Die Arbeitsweise der induktiven Verbinder beruht auf dem Prinzip der Wechselstrom-Transformatoren, bei dem mittels eines magnetischen Kreises eine Spannung von einer Primär­ wicklung auf eine Sekundärwicklung induziert wird, ohne daß zwischen den Wicklungen irgendeine physikalische bzw. galvanische elektrische Verbindung hergestellt wird.

Ein induktiver Verbinder, bei dem die Primär- und Sekundär­ wicklungen und die zugehörigen Kerne in einem Stecker und einer Steckeraufnahme des Verbinders gleichachsig angeordnet sind, ist aus der GB-PS 20 58 474 und aus dem Artikel "In­ ductive couplers in underwater power distribution networks - Improving their applicability" (Induktive Verbinder in Un­ terwasser-Stromverteilernetzen - Zur Erhöhung ihrer Taug­ lichkeit) in der Zeitschrift "Underwater Technology" (Band 12, Nr. 3, Herbst 1986) bekannt. Gemäß diesem Artikel hat der koaxiale Verbinder den Vorteil einer hohen Leistungs­ fähigkeit, aber den Nachteil einer verwickelten Konstruktion von Innen- und Außenkern, weil sie wegen ihrer rotationssym­ metrischen Gestalt nicht aus Transformatorenblechpaketen aufgebaut werden können. Bei dem koaxialen induktiven Ver­ binder gemäß der GB-PS 20 58 474 wird als Kern-Werkstoff Ferrit verwendet. Ferrit ist jedoch sehr spröde und für die Konstruktion robuster Unterwasser-Ausrüstungen nicht geeig­ net. Ferner hat es eine niedrige Sättigungsflußdichte, was zu einer großen Querschnittsfläche des Kerns führt.

Es ist ferner vorgeschlagen worden, den Kern aus einem fer­ romagnetischen Verbundwerkstoff, z.B. COROVAC (Warenzeichen) herzustellen. Dieser Werkstoff ist hinsichtlich der Richtung des Magnetflusses nahezu anisotrop und läßt sich durch ma­ schinelle Bearbeitung in praktisch jede Form bringen. Die relative magnetische Durchlässigkeit dieses Verbundwerk­ stoffs ist jedoch auf etwa 500 begrenzt. Dies verbietet eine Verwendung des Verbundwerkstoffs im gesamten Kern, da dies einen hohen Magnetisierungsstrom erfordern würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschil­ derten Nachteile zu überwinden und einen koaxialen indukti­ ven Verbinder zu schaffen, der einen Kern aufweist, welcher sich bequem herstellen läßt und gleichzeitig von hoher mag­ netischer Permeabilität ist.

Diese Aufgabe ist bei einem koaxialen induktiven Verbinder mit einem Stecker und einer mit ihm gleichachsig angeordne­ ten Steckeraufnahme, wobei der Stecker eine einen langge­ streckten Mittelkern umgebende erste Wicklung und die Stec­ keraufnahme eine von einem zylindrischen Außenkern umgebene zweite Wicklung aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer der Kerne wenigstens zum Teil aus einem Bündel ferromagnetischer Drähte aufgebaut ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verbinders weist der Mittelkern scheibenförmige Endabschnitte auf, die von einen Teil des Außenkerns bildenden ringförmigen Endab­ schnitten umgeben sind, wobei die Endabschnitte von Mittel- und Außenkern aus einem Verbundwerkstoff hergestellt sind, der aus in ein Epoxid-Harz eingebetteten ferromagnetischen Partikeln besteht. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Endabschnitte der Kerne, die von komplexer Gestalt sind, gut maschinell bearbeiten lassen, wogegen die rohrförmig oder zylindrisch gestalteten übrigen Teile der Kerne eine hohe magnetische Permeabilität besitzen.

Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Verbinder und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Verbinders.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfaßt der Verbinder einen zylindrischen Stecker 1 und eine kreisring­ förmige Steckeraufnahme 2; diese Bauteile sind zu einer Mit­ telachse I gleichachsig angeordnet. Die Steckeraufnahme 2 ist in einem becherförmigen Gehäuse 3 angeordnet, wogegen der Stecker 1 an einem Endflansch 4 befestigt ist, welcher das Gehäuse 3 im Betrieb des Verbinders verschließt.

Der zylindrische Stecker 1 umfaßt einen langgestreckten Mit­ telkern 6, um den eine kreisringförmige erste Wicklung 7 an­ geordnet ist. Die kreisringförmige Steckeraufnahme 2 umfaßt einen langgestreckten Außenkern 5, der eine kreisringförmige zweite Wicklung 8 umgibt.

Die erste Wicklung 7 ist an eine nicht dargestellte Wechsel­ stromquelle durch ein elektrisches Zuleitungskabel 9 ange­ schlossen, wogegen die zweite Wicklung 8 mit einer elektri­ schen Last durch ein elektrisches Versorgungskabel 10 ver­ bindbar ist. Die beiden Wicklungen 7 und 8 sind in Epoxid- Harz-Massen 11 eingebettet.

Innenkern 6 und Außenkern 5 bilden zusammen einen "Topf"­ kern, durch den der die Wicklungen 7 und 8 umschließende magnetische Kreis so geführt ist, daß die magnetischen Fluß­ linien 13 eine torische Form annehmen. Über die Länge der Wicklungen 7 und 8 verlaufen die magnetischen Flußlinien 13 axial, wogegen sie jenseits der Wicklungsenden je um 180° umgekehrt werden.

Um zu erreichen, daß die Kerne 5 und 6 über dem größten Teil des Verlaufs der magnetischen Flußlinien 13 eine hohe magne­ tische Durchlässigkeit besitzen, sind diejenigen Abschnitte, über denen die Flußlinien 13 axial gerichtet sind, aus Bün­ deln 5 A bzw. 6 A axial oder wendelförmig verlegter ferromag­ netischer Drähte aufgebaut, z.B. aus Drähten aus PERMENORM 5000 H2 (Warenzeichen), einem Werkstoff mit etwa 70% Eisen und 30% Nickel. Zur Verringerung von Wirbelstromverlusten sind die Drähte voneinander durch nicht dargestellte dünne Isolierhüllen getrennt.

Um eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit der über die Wick­ lungsenden hinausragenden Endabschnitte der Kerne 5 und 6 zu erreichen und eine weiche Überleitung des magnetischen Flus­ ses zwischen den Endabschnitten der Kerne 5 und 6 zu ermög­ lichen, weist der Innen- bzw. Mittelkern 6 ein Paar schei­ benförmige Endabschnitte 6 B auf, wogegen der Außenkern 5 ein Paar ringförmige Endabschnitte 5 B aufweist. Die Endabschnit­ te 5 B und 6 B sind je aus einem ferromagnetischen Verbund­ werkstoff hergestellt, z.B. aus COROVAC (Warenzeichen). Die gegenseitigen Anschlußflächen der scheibenförmigen Endab­ schnitte 6 B und der sie umgebenden ringförmigen Endabschnit­ te 5 B sind durch einen schmalen Spalt 15 voneinander ge­ trennt.

Weil die Endabschnitte 5 B und 6 B die einzigen Teile des mag­ netischen Kreises sind, die mit der Umgebung in direkte Be­ rührung kommen, ist die Korrosionsbeständigkeit des Werk­ stoffs von Wichtigkeit, weil Korrosionsprodukte in den Spal­ ten 15 zum Fressen des Steckers 1 in der Steckeraufnahme 2 des Verbinders führen könnten. Wenn der Verbinder in einer trockenen Umgebung verwendet wird, können folglich die End­ abschnitte 5 B und 6 B aus in Epoxid-Harz eingebetteten Sili­ ziumeisen-Partikeln sein, z.B. COROVAC (Warenzeichen), wo­ gegen bei Verwendung des Verbinders im Nassen ein korrosi­ onsbeständigerer Verbundwerkstoff bevorzugt wird, z.B. ein aus chromlegiertem PERMALLOY (Warenzeichen) bestehender Werkstoff. Beide vorstehend genannten Verbundwerkstoffe sind gut maschinell bearbeitbar und sind hinsichtlich der Rich­ tung des Magnetflusses anisotrop, was wichtig ist, weil die Flußlinien 13 in den Endabschnitten 5 B und 6 B einen komple­ xen Verlauf haben.

Das Drahtbündel 6 A des Mittelkerns 6 ist an seinem Außenum­ fang von einer Länge, die mit der Länge der Wicklungen 7 und 8 zumindest gleich ist, wogegen die Länge des Drahtbündels 6 A in radialer Richtung zur Mittelachse I hin zunimmt.

Das Drahtbündel 5 A des Außenkerns 5 ist an seinem Innenum­ fang von einer Länge, die mit der Länge der Wicklungen 7 und 8 zumindest gleich ist, wogegen die Länge des Drahtbündels 5 A radial von der Mittelachse I weg zunimmt.

Aufgrund der verschiedenen Längen der Drahtbündel 5 A und 6 A sind zwischen ihnen und den Endabschnitten 5 B bzw. 6 B koni­ sche Übergangsbereiche 18 und 17 gebildet. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Magnetfeld auf einer größtmöglichen Länge durch die Drähte geführt wird, die eine hohe magneti­ sche Durchlässigkeit besitzen, wogegen die magnetischen Flußlinien 13 einem gleichmäßigen Muster entsprechend in die Endabschnitte 5 B und 6 B eingeleitet und durch die Spalte 15 geführt werden, derart, daß Wirbelstromverluste und damit verbundene Erwärmung des Verbinders so gering wie möglich gehalten werden.

Die Endabschnitte 5 B und 6 B können, nachdem sie maschinell mit der gewünschten Form bearbeitet wurden, mit den Draht­ bündeln 5 A und 6 A durch Kleben verbunden werden. Die Drähte der Drahtbündel 5 A und 6 A können von kreisrundem oder recht­ eckigem Querschnitt sein. Die Drähte können auch ferromagne­ tische Bänder oder Schichtungen sein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Stecker 1 über seine gesamte Länge von zylindrischer Gestalt, wogegen die Steckeraufnahme 2 eine kreisringförmige Innenfläche hat, die auf ihrer gesamten Länge von einer Breite ist, die etwas größer als der Außendurchmesser des Steckers 1 ist. In einer abgewandelten Ausführungsform kann die kreisringförmige Lüc­ ke über die Länge der Wicklungen 7 und 8 etwas vergrößert werden, um die Unempfindlichkeit gegenüber Fertigungsfehlern und im Spalt 15 zwischen den Wicklungen 7 und 8 eingeschlos­ senenen Trümmern zu erhöhen.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Ver­ binders können Stecker und Steckeraufnahme auch von anderer koaxialer Gestalt sein.

Der Verbinder gemäß Fig. 2 umfaßt einen Stecker 20 mit einer Primärwicklung 21, die von einem Innenkern getragen ist, der sich aus einem zylindrischen Drahtbündel 22 und zwei Endab­ schnitten 23 und 24 mit konischer Außenfläche zusammensetzt.

Der Verbinder umfaßt ferner eine Steckeraufnahme 25 mit ei­ ner Sekundärwicklung 26, die von einem Außenkern getragen ist, welcher sich aus einem kreisringförmigen Drahtbündel 27 und zwei Endabschnitten 29 und 30 mit konischer Innenfläche zusammensetzt.

Die konischen Flächen der Endabschnitte 23, 24, 29 und 30 der Innen- und Außenkerne weisen je, bezogen auf die Mittel­ achse II der Steckeraufnahme 25, nach innen, um das Ein­ schieben und Herausziehen des Steckers 20 in bzw. aus der Steckeraufnahme 25 zu vereinfachen. Ein weiterer Vorteil der konischen Gestalt dieser Flächen besteht darin, daß das Vor­ handensein von Trümmern in Spalten 31 zwischen den genannten Flächen nicht zu Fressen des Steckers 20 in der Steckerauf­ nahme 25 führt.

Von der verschiedenen Gestalt der Endabschnitte 23, 24, 29 und 30 abgesehen, sind Aufbau und Arbeitsweise des Verbin­ ders gemäß Fig. 2 jenen des Verbinders gemäß Fig. 1 ähnlich. Folglich ist ein maßgebendes Merkmal des Verbinders gemäß Fig. 2, daß Innen- und Außenkern Bündel 22 bzw. 27 aus fer­ romagnetischen Drähten aufweisen, die eine hohe magnetische Durchlässigkeit besitzen. Ferner besteht ein wichtiges Merk­ mal des Verbinders darin, daß die Endabschnitte 23, 24, 29 und 30 von Innen- und Außenkern aus einem ferromagnetischen Verbundwerkstoff sind, der sich gut maschinell bearbeiten läßt. Außerdem wird durch die konischen Übergangsbereiche 32 und 33 zwischen den Enden der Drahtbündel 22 und 27 und den Endabschnitten 23, 24, 29 und 30 sichergestellt, daß die magnetischen Flußlinien über die gesamte Länge des von den Kernen gebildeten torischen Magnetkreises gleichmäßig ver­ teilt sind.

Claims (11)

1. Induktiver Verbinder mit einem Stecker und einer mit ihm gleichachsig angeordneten Steckeraufnahme, wobei der Stecker eine einen langgestreckten Mittelkern umgebende erste Wicklung und die Steckeraufnahme eine von einem kreis­ ringförmigen Außenkern umgebene zweite Wicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kerne (5, 6) wenigstens zum Teil aus einem Bündel (5 A, 6 A; 22, 27) ferromagnetischer Drähte aufgebaut ist.

2. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kerne (5, 6) zum Teil aus einem Bündel (5 A, 6 A) ferro­ magnetischer Drähte, die im wesentlichen axial ausgerichtet sind, aufgebaut sind.

3. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelkern (6) scheibenförmige Endabschnitte (6 B) auf­ weist, die von einen Teil des Außenkerns (5) bildenden ring­ förmigen Endabschnitten (5 B) umgeben sind, wobei die Endab­ schnitte (6 B, 5 B) von Mittel- und Außenkern (5 bzw. 6) aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt sind.

4. Verbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Werkstoff ein Verbundwerkstoff aus in ein Harz (11) eingebetteten ferromagnetischen Partikeln ist.

5. Verbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Partikel Siliziumeisen-Partikel sind.

6. Verbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Partikel chromlegierte PERMALLOY- Partikel sind.

7. Verbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtbündel (6 A) des Mittelkerns (5) an seinem Außenum­ fang von einer Länge ist, die mit der Länge der ersten Wick­ lung (7) zumindest gleich ist, wogegen die Länge des Draht­ bündels (6 A) in radialer Richtung zur Mittelachse (I) des Verbinders hin allmählich zunimmt, derart, daß zwischen dem Drahtbündel (5 A) und jedem der scheibenförmigen Endabschnit­ te (6 B) des Mittelkerns (6) ein konischer Übergangsbereich (17) gebildet ist.

8. Verbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtbündel (5 A) des Außenkerns (5) an seinem Innenum­ fang von einer Länge ist, die mit der Länge der zweiten Wicklung (8) zumindest gleich ist, wogegen die Länge des Drahtbündels (5 A) in radialer Richtung von der Mittelachse (I) des Verbinders weg allmählich zunimmt, derart, daß zwi­ schen dem Drahtbündel (5 A) und jedem der ringförmigen Endab­ schnitte (5 B) des Außenkerns (5) ein konischer Übergangsbe­ reich (18) gebildet ist.

9. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (1) über die Länge der ersten Wicklung (7) von zylindrischer Gestalt ist, und die Steckeraufnahme (2) über die Länge der zweiten Wicklung (8) einen kreisringförmigen Innenumfang von einer Breite aufweist, die etwas größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts vom Stecker (1).

10. Verbinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stecker (1) über seine Länge von zylindrischer Gestalt ist und die Steckeraufnahme (2) über ihre Länge einen kreis­ ringförmigen Innenumfang von einer Breite aufweist, die et­ was größer ist als der Außendurchmesser des Steckers (1).

11. Verbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Endabschnitte (23, 24) des Steckers (20) je eine konische Außenfläche aufweisen, und die ringförmigen Endabschnitte (29, 30) der Steckeraufnahme (25) je eine koni­ sche Innenfläche aufweisen, wobei jede der konischen Flächen längs der Mittelachse (II) des Verbinders in die gleiche Richtung weist.