DE4226764A1

DE4226764A1 - Drosselspule

Info

Publication number: DE4226764A1
Application number: DE4226764A
Authority: DE
Inventors: Sven-Einar Stenkvist
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1994-02-17
Also published as: BR9303357A; EP0583644A1; EP0583644B1; DE59301199D1; ZA935428B; ATE131952T1; US5376911A; JPH06163289A; TW228032B; ES2083231T3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselspule mit bezüg lich der Drossellängsachse hochkant gestellten, unter sich gleichartigen Flachstäben, die an den Ecken elektrisch ver bunden sind, und wobei zwischen übereinanderliegenden Win dungen Isoliermaterial vorgesehen ist.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Um eine ausreichende Zeitkonstante zu erreichen, werden bei Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen ein oder zwei Drosseln im Gleichstromkreis eingesetzt. Type Daten für solche Drosseln sind Induktivitäten um 100 µH, die für Dauerströme bis 50 kA und mehr ausgelegt sein müssen. Bei schweren Flickerverhält nissen und hohen Ofenleistungen werden Drosseln mit Indukti vitäten bis 700 µH und mehr für Nennströme um 110 kA benö tigt. Damit die Stromwärmeverluste noch vertretbar sind, sind hierzu Kupferleiter großen Querschnitts erforderlich, so daß eine Drossel der letztgenannten Art auf ein Kupfergewicht um 75 Tonnen kommt. Es besteht daher ein großes Bedürfnis Drosseln dieser Größe wirtschaftlich herzustellen.

Bei der Herstellung von eckigen Spulen, die aus hochkant ge stellten Stäben gewickelt werden, wird das Biegen der Stäbe bei zunehmender Breite immer schwieriger, und die Stäbe wer den an der Biegungsstelle einer bedeutenden Materialbean spruchung unterzogen, die zu wesentlichen Querschnitts verringerungen führt.

Bei dem aus der DE-PS 5 08 183 bekannten Verfahren zur Her stellung von eckigen Spulen für elektrische Maschinen aus hochkant gestellten Flachstäben werden die Stäbe schräg unter dem halben Eckenwinkel geschnitten und dann unter dem vollen Winkel stumpf aneinandergelötet oder geschweißt. Zur Entla stung der Verbindungsstelle wird der schräge Schnitt durch die Stäbe schwalbenschwanzförmig ausgeführt.

Bei einem anderen Verfahren (CH-PS 512 848) wird auf das Ver löten oder Verschweißen der Stoßstellen an den Ecken ver zichtet, indem die Flachstäbe an ihren Enden durch Fein stanzen oder Feinschneiden mit je einer eine blanke Schnitt fläche aufweisenden Verbindungsstelle versieht und darauf die einzelnen Abschnitte durch Ineinanderpressen der Ver bindungsstellen elektrisch und mechanisch miteinander ver bindet.

Gemeinsames Merkmal beider bekannter Techniken ist die Schaf fung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen fortlaufenden Stäben bzw. Platten.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspule zu schaffen, die einfach und wirtschaftlich herzustellen ist. Insbesondere soll dabei ein Minimum an Bearbeitung der ein zelnen Flachstäbe notwendig sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Spulenwindung aus einem ganzzahligen Vielfachen von vorzugs weise unter sich gleichartigen Flachstäben besteht, die je weils an den Ecken an Kontaktflächen überlappend und großflächig aufeinanderliegen, daß zwischen zwei benachbarten Windungen an den Ecken Isolierplatten und/oder -schichten mit einer Größe, die annähernd der Kontaktfläche entspricht, vorgesehen sind, und daß der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels ausschließlich mittels einer Spannvorrichtung mit Spannelementen erfolgt, welche die Flachstäbe nicht an schneiden oder durchsetzen.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß die Flachstäbe ohne Materialverluste von Bandmaterial abgelängt werden können. Abgesehen von der Beseitigung von Stanz- oder Schneidgrat ist keine weitere Bearbeitung not wendig. Gleiches gilt für die Isolierplatten zur Windungs isolation. Auch an die Kontaktflächen werden keine großen Anforderungen gestellt. Es genügt, den fertigen Plattenstapel zusammenzupressen. Durch die großflächige Kontaktierung an den Überlappungsstellen ergeben sich niedrige Stromdichten (typisch 0,05 A/mm²). Die Drossel kann - sofern notwendig oder vorteilhaft - direkt auf der Baustelle zusammengebaut werden, da keine komplizierten Schweiß- oder Lötarbeiten durchgeführt werden müssen.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ergeben sich zwangsläufig Distanzen zwischen in Spulenachsrichtung benachbarten Lei tern, welche eine effektive Kühlung ermöglichen.

Der Querschnitt der Drossel kann praktisch beliebig gestaltet werden. Vorzugsweise hat diese jedoch den Querschnitt eines regelmäßigen Vielecks, weil nur dann alle Flachstäbe unter sich gleichartige gleichmäßige Trapeze mit dem selben Basiswinkel α und identischer Geometrie sind. Dabei gilt die leicht herleitbare Beziehung für den Basiswinkel
α = [180°(n-2)]/n,
wobei n die Anzahl der Ecken des Vielecks bedeutet. Die Iso lierplatten und auch die Kontaktflächen weisen dementspre chend rautenförmigen Querschnitt auf, mit gegenüberliegenden Winkeln α bzw. 180°-α.

Eine besonders einfache und wirtschaftlich herstellbare Dros selspule, die als die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angesehen wird, hat quadratischen Querschnitt und weist pro Windung zwei parallelgeschaltete Flachstäbe quadrupel auf. Bei einer derartigen Drossel sind Kröpfungen und/oder speziell angepaßte Isolierplatten entbehrlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielba ren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Drosselspule großer Leistung, wobei jede Windung aus vier paarweise parallelgeschalteten Flachstäben besteht in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die oberste Windung einer Drossel mit quadratischem Querschnitt;

Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt durch die in eine Spannvorrichtung eingespannte Drossel nach Fig. 2 längs deren Linie AA;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die oberste Windung einer Drossel mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die oberste Windung einer Drossel mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Sechsecks.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte Drosselspule weist quadratischen Querschnitt auf. Sie ist aus unter sich gleichartigen paral lel zueinander verlaufenden Kupferplatten oder Flachstäben 1 aufgebaut. Lediglich das eingangsseitige Plattenpaar 1e und das ausgangsseitige Plattenpaar 1a hat eine größere Länge als die übrigen Platten. Die über die Peripherie hinaus ragenden Plattenenden dienen als Stromanschlüsse.

Jede Spulenwindung besteht aus insgesamt vier Paar Platten, die jeweils an den Ecken auf Kontaktflächen überlappend und großflächig aufeinanderliegen, wodurch sich quasi eine Par allelschaltung von zwei ineinandergewickelten Spulen ergibt. Jeweils zwischen zwei benachbarten (aufeinanderliegenden) Windungen sind an den Ecken Isolierplatten 2 mit einer Geo metrie, die annähernd der aufeinanderliegenden Flächen, der Kontaktfläche, entspricht, vorgesehen. Diese Isolierplatten sind in der Zeichnung übertrieben dick eingezeichnet. Sie be stehen beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, Glimmer, Glasgewebe, dicken Folien aus Polyimid oder einer Kombination aus den genannten Materialien, wobei eine Dicke von 3 mm als ausreichend angesehen wird, da die Drossel kei nen hohen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt ist.

Quadratische Platten 3, die z. B. aus dem Leitermaterial, ei nem anderen Metall oder auch aus Isoliermaterial bestehen können, dienen zur Schaffung einer einheitlichen Höhe der Drossel an allen vier Ecken bzw. zur Distanzierung der ein gangsseitigen und ausgangsseitigen Plattenpaare.

Der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels erfolgt ausschließlich mittels einfachen Spannelementen, welche die Flachstäbe 1 bzw. Kupferplatten nicht anschneiden oder durch setzen.

Aus der schematischen Draufsicht auf einer Drossel gemäß Fig. 2 und dem teilweisen Längsschnitt durch eine Ecke der Drossel gemäß Fig. 3 ist grob vereinfacht der Aufbau einer solchen Spannvorrichtung zu erkennen. Diese besteht aus einer Bodenplatte 4 und einem kreuzförmigen Joch 5 und beide ver bindende Zugstangen 6 mit Muttern 7. Isolierende Zwischenla gen 8 aus glasfaserverstärktem Kunststoff zwischen dem Plat tenstapel und der Bodenplatte 4 bzw. dem Joch 5 dienen zur elektrischen Isolierung der Drossel.

Weil die Drossel im Betrieb großen magnetischen Kräften aus gesetzt ist, kann es vorteilhaft sein, in die Distanzen zwi schen zwei übereinanderliegenden Leitern Distanzstücke 9 (Fig. 1) aus Isoliermaterial einzulegen.

Eine Drossel mit der Induktivität von 400 µH und einem Nenn strom von 400 kA besteht aus 20 mm dicken Kupferplatten von 3500 mm Länge und 1000 mm Breite mit 15 Windungen. Dazu wer den 8×15=120 derartiger Platten benötigt. Der gesamte Lei terquerschnitt beträgt dann 40 000 mm², was eine Stromdichte von 2,5 A/mm² ergibt.

Die Stromdichte in den Kontaktflächen ist dabei vergleichs weise gering und beträgt 0,05 A/mm³, da an jeder Ecke sich die Kupferplatten um 2mal 1 m² überlappen.

Ohne den durch die Erfindung abgesteckten Rahmen zu verlas sen, sind eine Reihe von Abwandlungen möglich.

So können die Querschnitte der Drossel praktisch jeden Viel eckquerschnitt annehmen, wobei regelmäßige Vielecke vorzu ziehen sind, weil kein Verschnitt entsteht. Generell haben die Kupferplatten die Form eines gleichseitigen Trapezes mit dem Basiswinkel α, wobei für diesen Basiswinkel gilt:
α = [180°(n-2)]/n,
worin n die Anzahl der Ecken des regelmäßigen Vielecks be deutet.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wurde eine Drossel mit quadratischem Querschnitt gewählt. Selbstverständlich kann die Drossel auch beliebigen Rechteckquerschnitt aufweisen. Auch andere Querschnittsformen sind möglich, wie die schema tischen Querschnitte durch eine Drossel mit Dreiecksquer schnitt in Fig. 4 und durch eine Drossel mit Sechseckquer schnitt in Fig. 5 zeigen.

In Fig. 4 und 5 ist ferner veranschaulicht, daß bei anderen Formen als Rechteckform die Kupferplatten 1 nicht notwendig trapezförmig mit einem Basiswinkel α < 90° sein müssen. Nimmt man dreieckförmige Vorsprünge 10 (in Fig. 4 und 5 strichliert eingezeichnet) an den Ecken in Kauf, können auch bei solchen Konfigurationen Kupferplatten mit Rechteckquerschnitt ver wendet werden. Bei einer solchen Anordnung kann man dann auch vom regelmäßigen Vieleck abweichen und kommt trotzdem mit unter sich gleichartigen Kupferplatten aus.

Weil bei Rechteck - und damit auch quadratischen Querschnit ten - mit der beschriebenen Leiterführung an jeder Ecke bei der Überlappung die Höhe um eine Plattendicke zunimmt, er reichen die Platten 1 bei der nächsten Windung genau die richtige Höhe ohne irgendeine Anpassung oder Bearbeitung. Wählt man eine Leiterführung mit drei parallelen Platten, muß die Drossel sechseckig ausgelegt werden, bei vier paral len Platten achteckig usw. Allgemein gilt, daß bei einer Drossel mit dem Querschnitt eines n-Ecks (n geradzahlig und n<4) jeweils pro Windung n/2 Flachstäbe parallelgeschaltet sind.

Verzichtet man auf diesen "automatischen" Höhenausgleich und verwendet nur einen Leiterstrang pro Windung, so ergeben sich leichte Kröpfungen in Längsrichtung der Platten 1, die mög licherweise eine Verstärkung der Isolierplatten 2 erforder lich machen können. Eine Beeinträchtigung der Betriebs sicherheit ist jedoch aufgrund der Duktilität des Leiter materials Kupfer nicht zu befürchten.

Bezeichnungsliste

1 Kupferplatten
2 Isolierplatten oder -schichten
3 quadratische Platten
4 Bodenplatte
5 Joch
6 Zugstangen
7 Muttern
8 isolierende Zwischenlagen
9 Distanzstücke aus Isoliermaterial
10 dreieckförmige Vorsprünge

Claims

1. Drosselspule mit mit bezüglich der Drossellängsachse hochkant gestellten unter sich gleichartigen Flachstäben (1), die an den Ecken elektrisch verbunden sind, und wo bei zwischen übereinanderliegenden Windungen Isolierma terial (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spulenwindung aus einem ganzzahligen Vielfachen von vorzugsweise unter sich gleichartigen Flachstäben (1) besteht, die jeweils an den Ecken auf Kontaktflächen überlappend und großflächig aufeinanderliegen, daß zwischen zwei benachbarten Windungen an den Ecken Iso lierplatten und/oder Isolierschichten (2) mit einer Größe, die annähernd der Kontaktfläche entspricht, vor gesehen sind, und daß der Zusammenhalt des so gebilde ten Stapels ausschließlich mittels einer Spannvorrich tung (4, 5, 6) mit Spannelementen erfolgt, welche die Flachstäbe nicht anschneiden oder durchsetzen.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drosselspule mit dem Querschnitt eines regelmäßigen n-Ecks die Flachstäbe (1) den Querschnitt eines gleichmäßigen Trapezes mit einem Basiswinkel
α = [180°(n-2)]/n,
aufweisen, wobei n die Anzahl der Ecken des Vielecks be deutet, und die Isolierplatten bzw. Isolierschichten (2) und auch die Kontaktflächen rautenförmigen Querschnitt aufweisen, deren gegenüberliegende Winkel α bzw. 180°-α groß sind.

3. Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Drosseln mit Rechteckquerschnitt je weils pro Windung zwei Flachstäbe (1) parallelgeschaltet sind.

4. Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Drossel mit dem Querschnitt ei nes n-Ecks mit n geradzahlig und n<4, jeweils pro Win dung n/2 Flachstäbe parallelgeschaltet sind.