EP3227894A1 - Anordnung elektrischer leiter und verfahren zur herstellung einer anordnung elektrischer leiter - Google Patents

Anordnung elektrischer leiter und verfahren zur herstellung einer anordnung elektrischer leiter

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EP3227894A1
EP3227894A1 EP15798332.1A EP15798332A EP3227894A1 EP 3227894 A1 EP3227894 A1 EP 3227894A1 EP 15798332 A EP15798332 A EP 15798332A EP 3227894 A1 EP3227894 A1 EP 3227894A1
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EP
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melting
arrangement
low
electrical conductors
insulation
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Thomas Sunn Pedersen
Norbert Paschkowski
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement of electrical conductors, comprising a conductor bundle with at least one individual electrical cable and at least one cooling line for the flow through a cooling fluid.
  • the invention further relates to a method for producing such an arrangement, electrical conductor ⁇ shear.
  • the electrical conductor of the coil as a waveguide, z. B. in the form of hollow copper lines to run, which are flowed through to derive the resulting current heat in the hollow inside of the wire with a cooling fluid, usually water.
  • a cooling fluid usually water.
  • the windings of the coil in a flattened geometry, for. B. in a so-called “pancake shape" to bring, so that an edge cooling of the windings is efficient at low power densities It is also known to cool the windings by means of air cooling.
  • JP 3841340 B2 proposes a coil with mineral-insulated cables (MIC) in which, for example, a copper line is insulated by means of a surrounding magnesium oxide layer, which in turn is surrounded by a copper jacket.
  • MIC mineral-insulated cables
  • a disadvantage of this approach is that the use of mineral-insulated cables is unsuitable for many applications, since they are relatively expensive and, in particular, small high-power coils can not be realized with a desired power density due to the comparatively large diameter of such mineral-insulated cables.
  • the object of the invention is in particular to provide an arrangement of fluid-cooled electrical conductors, which can be arranged compactly even when exposed to a high power density and at the same time can be efficiently cooled and which is preferably inexpensive to produce. It is a further object of the invention to provide a method for producing such an arrangement, which is characterized in particular by a simplified process control.
  • the arrangement of electrical conductors according to the invention comprises a conductor bundle with at least one individual electrical cable and at least one cooling line for the flow through a cooling fluid.
  • an insulated metal wire i. H. a metal wire with an insulating sheath, understood.
  • the metal wire may be a copper wire.
  • the at least one cooling channel can be designed as a copper tube.
  • the conductor bundle preferably consists of several individual electrical cables, but may also consist of only one single cable.
  • the stated objects are achieved in that for the thermal connection of the conductor bundle, i. of the single cable or the
  • the inventive arrangement a high heat conduction is processing implemented by the metal wires of the individual cables to the cooling pipe, caused on the one hand by the normally 'intrinsically high thermal conductivity of low melting temperature metals and on the other hand by the thin Isolationsum- sheathing of the wires of a large contact area between Plastic insulation of the metal wires and the low-melting-temperature metal is formed.
  • the plastic insulation is a polyimide insulation or a polyester insulation.
  • a particularly advantageous variant of a polyimide insulation is a casing of extruded Kapton®.
  • a particularly advantageous variant of the polyester insulation is a polyester lacquer insulation.
  • insulation variants also offer the advantage over mineral insulation that both insulation variants allow for unrestricted wire bending radii and, surprisingly, with respect to short circuits caused by porosity or cracks, are significantly more robust than mineral insulations.
  • polyester lacquer-insulated wires are also their low production costs, which are usually up to a factor of 50 cheaper than typical mineral-insulated cables.
  • Another advantage of the invention is that when cooling by means of a separate own cooling channel, which is connected via the low-melting-temperature metal thermally connected to the individual cable, the diameter of the cooling channel regardless of the diameter of the wires can be set, which is a much more efficient Optimization of the cooling and an independent determination of the voltage-current ratio allows.
  • This advantage is particularly important for small coils due to the strong light linearity of the water flows, cf. Poiseuilles formula.
  • low-melting-point metal (hereinafter also abbreviated as NSTM, in English: low-temperature metal (LMTM)) is also intended to include low-melting point alloys.
  • low-melting-temperature metal is thus meant a metal or alloy having a low melting temperature. Such metals are also referred to as low-melting metals or metal alloys.
  • the low-melting-temperature metal used for thermal connection of the individual cables has in particular a high thermal conductivity.
  • the low melting point metal has a melting point below 260 ° C, more preferably a melting point. point below 150 ° C.
  • the low melting temperature metal may be, for example, a tin-bismuth alloy, a tin-lead alloy or a solder alloy.
  • the low-melting-temperature metal may contain at least one metal or an alloy from the group tin, tin-lead, tin-zinc or tin-bismuth.
  • the predetermined maximum operating temperature of the material of the insulating sheath is preferably greater than the melting temperature of the low-melting-point metal, so that it is ensured during the introduction of the molten metal that the insulation of the individual cables is not damaged.
  • the conductor bundle is materially connected to the section of the at least one cooling line, preferably by casting with the low-melting-temperature metal, in order to ensure a good thermal connection.
  • the portion of the cooling line embedded in the low-melting-point metal is preferably circular in this case.
  • Such a coil can be made compact and inexpensive due to the use of plastic-insulated wires, and can be provided with high performance at the same time due to the efficient cooling.
  • the coil has a hollow toroidal bobbin as a carrier of the at least one winding of the coil, the at least one winding and surrounding the embedded portion of the cooling line.
  • a hollow-toroidal bobbin also has the advantage that it can simultaneously serve as a casting mold in the production of the coil.
  • the cooling line may, for example, be designed as a copper tube and / or run essentially in the middle of the cavity of the coil body and thus be uniformly surrounded by the windings of the coil.
  • On the bobbin also an inflow and an exhaust tube may be mounted, which is used to evacuate the bobbin as part of a vacuum casting and
  • a method for producing the inventive arrangement of electrical conductors is also proposed.
  • the embedding of the conductor bundle or individual cables and the section of the at least one cooling line into the low-melting-temperature metal takes place by means of a vacuum casting method.
  • the introduction of the molten low-melting-point metal by means of a vacuum casting process prevents air bubbles from forming and also ensures that no gaps are created even at bottlenecks between wires.
  • the vacuum casting process may include the following steps:
  • an inflow tube and a drainage tube are attached, which are each fluidly in communication with the cavity of the bobbin.
  • the inflow tube will be present "the evacuation of the bobbin with a low-melting-temperature metal, preferably with the low-melting-temperature metal, which is introduced in the subsequent Vakuumg smartvin in the bobbin for thermal connection, closed
  • the inflow tube can be closed or clogged, for example, by the opening of the Inlet tube is immersed in a small amount of molten low-melting-temperature metal, which is then solidified and thereby closes the opening.
  • the interior of the bobbin in which the coil windings and a cooling line section are located, is evacuated via the drainage tube. It has been found that the evacuation achievable with a pre-vacuum pump is sufficient.
  • the low melting temperature metal occluding the inflow tube is melted, e.g. B. by energizing and thereby heating the coil to a temperature slightly above the melting temperature of the NSTMs.
  • the feed tube Prior to reopening the feed tube by melting the NSTM, the feed tube is positioned so that its inlet is submerged in a reservoir of liquid NSTM, such that upon melting of the NSTM in the feed tube, the molten NSMT, driven by the vacuum force in the bobbin, exits the reservoir into the reservoir the cavity of the bobbin flows until the remaining cavity in the bobbin is completely filled with the NSTM. By cooling, the NSTM then solidifies.
  • features disclosed purely in accordance with the device should also be considered as disclosed within the scope of the manufacturing process and should be able to be claimed. Further details and advantages of the invention are described below described with reference to the accompanying drawings. Show it :
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a portion of the coil according to an embodiment of the
  • Figure 2 is a perspective view of a spool, with one quarter of the outer body and the NSTM filling omitted for purposes of illustration;
  • Figure 3 is a flow chart illustrating the steps of the manufacturing process.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the coil according to another embodiment of the invention.
  • the following figures describe a water-cooled coil as a highlighted application example of the invention and its production method. Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures.
  • FIG. 1 shows a cross-section along the sectional plane AA of FIG. 2 for illustrating a meridian of the torus
  • FIG. 2 shows a perspective view of the coil 1 in which one-eighth of the outer body 6 and the low-melting-point metal 5 are indicated in order to illustrate the internal structure this passage was omitted.
  • a circular section 4 of the cooling line runs centrally from the inner cavity formed by the coil outer body 6, to flow through it with a cooling fluid, preferably water.
  • a cooling fluid preferably water.
  • From the- Section 4 of the cooling channel is formed by a single winding of a hollow copper tube with a diameter of 3 mm. Water enters the circular conduit section 4 via an inflow conduit 4a and is led out of the coil body 6 via an exit conduit 4b. The rest of the cooling circuit, which is carried out in a known manner is not shown.
  • windings of a copper wire are arranged around the water cooling pipe 4, so that in the illustration of FIG. 2 the circular pipe section 4 of the cooling pipe is mostly covered by the windings. In the present example, this is 60 windings.
  • the windings thus consist of individual cables 2 whose electrical conductors are formed from copper wires which are encased in polyimide insulation or polyester insulation 3.
  • the individual cables 2 or windings are integrally connected to the circular section 4 of the cooling line by casting with a low-melting-point metal (NSTM) 5.
  • the NSTM 5 thus fills all gaps between the cables and the section 4 of the cooling line and thus directs the resulting during operation of the coil heat of the single cable 2 to the section 4 of the water flowed through during operation of the coil cooling line.
  • Figures 1 and 2 show only a schematic diagram and the actual distances between the windings are smaller than actually shown.
  • the diameter of the individual cables 3 in the present exemplary embodiment is for example 1.2 mm, while the
  • FIG. 2 additionally shows the two electrical connection lines 2a for supplying current to the windings.
  • extruded Kapton® was used as an example of polyimide insulation.
  • the maximum desired operating temperature of the Kapton wire is according to the manufacturer at 230 ° C and thus significantly below ⁇ half the melting temperature of tin-bismuth alloy used. The KaptondD insulation is thus not damaged when introducing a molten tin-bismuth alloy.
  • polyester paint insulation of the type W210 Stefan Maier GmbH was used.
  • NSTM 5 a tin-bismuth alloy was used, which was introduced into the bobbin 6 by a vacuum casting.
  • Such water-cooled coils find applications in various technical fields, for example for physics experiments, for compact high-performance transformers or various compact actuator devices.
  • step S1 the bobbin 6 is prepared for the vacuum casting process.
  • the above-described windings of the individual cables 2 and the circular section 4 of the cooling tube are introduced into the cavity of the coil outer body 6.
  • the coil outer body 6 may for example be formed of two half-shells, which are placed around the individual cable 2 and the cooling pipe section 4 and vacuum-tightly connected to each other by soldering.
  • the coil outer body 6 has passage openings for the inflow line and the outlet line 4b of the cooling circuit.
  • a Inflow tube 7 (see Figure 4) and a drain tube 8 attached to the bobbin 6.
  • the drain pipe 8 also serves as a pump-down for a connected backing pump.
  • the opening of the inflow tube 7 was narrowed to an approximately 1 mm 2 gap so that the NSTM flow rate (see
  • Step S6 is reduced by one to two orders of magnitude to about one liter per minute. This will ensure that the NSTM will flow in and out during the casting step and not the connected one
  • step S2 the inflow tube 7 is closed by immersing the inflow tube 7 in a small amount of the NSTM, here a tin-bismuth alloy.
  • the molten tin-bismuth alloy then solidifies in the feed tube 7 and clogs it.
  • step S3 the exhaust tube 8 is connected to a pre-vacuum pump and the bobbin 6 is evacuated with the coil winding, ie pumped out with the backing pump.
  • the previously clogged opening of the inflow tube 7 is now immersed in step S5 in a reservoir containing the NSTM in the molten state.
  • the coil is heated by energization to a temperature up to 140 ° C, ie a temperature which is slightly above the melting temperature of the NSTMs, in this case 132 ° C.
  • a temperature up to 140 ° C ie a temperature which is slightly above the melting temperature of the NSTMs, in this case 132 ° C.
  • the blockage of the inflow tube 7 of the NSTM material melts, so that the NSTM flows from the reservoir, driven by the vacuum forces, into the interior of the coil body 6 via the inflow tube 7, which is no longer blocked, and completely shuts it off. fills, so that the windings of the single cable 2 and the cooling tube 4 are completely embedded in the interior of the bobbin 6 with the NSTM and thereby thermally connected to each other.
  • the coil is cooled so that the NSTM becomes solid (step S6).
  • step S3 The separation between the evacuation of the inner volume of the bobbin 6 (step S3) from the subsequent pouring of the molten NSTM (step S6) reliably avoids the formation of air bubbles and improves the heat transfer from the coil into the cooling line and thus into the cooling fluid.
  • FIG. 4 shows the coil 1 from FIG. 2, with the difference that, as already mentioned above, the inflow tube 7 and the outflow tube 8 are additionally provided on the coil outer body 6, which can be removed after the casting process has run out ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrischer Leiter, umfassend ein Leiterbündel mit mindestens einem elektrischen Einzelkabel und wenigstens einer Kühlleitung zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Zur thermischen Anbindung des Leiterbündels an die wenigstens eine Kühlleitung sind ein Abschnitt der wenigstens einen Kühlleitung und das Leiterbündel in ein Niedrigschmelztemperatur-Metall eingebettet, wobei eine isolierende Ummantelung des wenigstens einen Einzelkabels als KunststoffIsolierung, vorzugsweise als Polyimid-Isolierung oder als eine Polyester-Isolierung, ausgeführt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine derartige Anordnung.

Description

BESCHREIBUNG
ANORDNUNG ELEKTRISCHER LEITER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER ANORDNUNG ELEKTRISCHER LEITER
Die Erfindung betrifft eine Anordnung elektrischer Leiter, umfassend ein Leiterbündel mit mindestens einem elektrischen Einzelkabel und wenigstens eine Kühlleitung zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung elektri¬ scher Leiter.
Anordnungen elektrischer Leiter in Form von wassergekühlten elektrischen Drähten sind seit Längerem im Stand der Technik bekannt, beispielsweise in Form elektrischer oder elektromagnetischer Spulen mit einer aus Drahtwindungen gebildeten Wicklung. Der Widerstand der Spule bewirkt eine Erhitzung der Spule, so dass Spulen, die mit hoher Leistung beaufschlagt werden, üblicherweise gekühlt werden, müssen, um die Spule in einem bestimmten optimalen Betriebstemperaturbereich zu halten .
Zur Kühlung derartiger Spulen ist es aus der Praxis bekannt, die elektrischen Leiter der Spule als Hohlleiter, z. B. in Form von hohlen Kupferleitungen, auszuführen, die zur Ableitung der entstandenen Stromwärme in der hohlen Innenseite des Drahts mit einem Kühlfluid, in der Regel Wasser, durchströmt werden. Ferner ist es aus der Praxis bekannt, die Wicklungen der Spule in eine abgeflachte Geometrie, z. B. in eine sogenannte „Pfannkuchenform" zu bringen, so dass eine Randkühlung der Wicklungen effizient ist. Bei niedrigen Leistungsdichten ist es auch bekannt, die Wicklungen mittels einer Luftkühlung zu kühlen.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten hohlen Kupferleitern ist, dass diese relativ ineffizient und aufwändig für kleine Spulen sind, weil der Strömungswiderstand p stark mit kleiner werdendem Kühlkanalradius ansteigt, da ge¬ mäß Poiseuilles Formel der Strömungswiderstand p proportional zu r-4 ist (p~ r-4) . Die flachen pfannkuchenartigen Geomet- rien sind andererseits für viele Anwendungen nicht praktikabel. Die bekannte Luftkühlung funktioniert nur für niedrige elektrische Leistungen und für eine nicht kompakte Geometrie.
Die JP 3841340 B2 schlägt eine Spule mit mineralisolierten Kabeln (MIC) vor, bei denen beispielsweise eine Kupferleitung mittels einer umgebenden Magnesiumoxid-Schicht isoliert ist, welche wiederum von einem Kupfermantel umgeben ist. Zur Kühlung der Spule wird vorgeschlagen, die mineralisolierten Kabel der Spule mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall zu umgeben, das die thermische Anbindung zwischen den Kabeln und einer oder mehreren wasserdurchströmten Kühlleitungen der Spule bildet. Nachteilig an diesem Ansatz ist jedoch, dass die Verwendung von mineralisolierten Kabeln für viele Anwendungen ungeeignet ist, da diese vergleichsweise teuer sind und sich insbesondere kleine Hochleistungsspulen aufgrund des vergleichsweise großen Durchmessers derartiger mineralisolierter Kabel nicht mit einer gewünschten Leistungsdichte realisieren lassen. Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung fluidgekühlter elektrischer Leiter bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine Anordnung fluidgekühlter elektrischer Leiter bereitzustellen, die auch bei Beaufschlagung mit einer hohen Leistungsdichte kompakt angeordnet und gleichzeitig effizient gekühlt werden kann und die vorzugsweise kostengünstig herstellbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung bereitzustellen, das sich insbesondere durch eine vereinfachte Verfahrensführung auszeichnet.
Diese Aufgaben werden durch eine Anordnung elektrischer Lei- ter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Anordnung elektrischer Leiter umfasst ein Leiterbündel mit zumindest einem elektrischen Einzelkabel und wenigstens einer Kühlleitung zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Unter einem Einzelkabel wird ein isolierter Metalldraht, d. h. ein Metalldraht mit einer isolierenden Um- mantelung, verstanden. Der Metalldraht kann ein Kupferdraht sein. Der wenigstens eine Kühlkanal kann als Kupferrohr ausgeführt sein. Das Leiterbündel besteht vorzugsweise aus meh- reren elektrischen Einzelkabeln, kann aber auch nur aus einem Einzelkabel bestehen.
Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung werden die genannten Aufgaben dadurch gelöst, dass zur thermischen An- bindung des Leiterbündels, d.h. des Einzelkabels oder der
Einzelkabel, an die wenigstens eine Kühlleitung ein Abschnitt der wenigstens einen Kühlleitung und die Einzelkabel in ein Niedrigschmelztemperatur-Metall eingebettet sind, wobei die isolierende Ummantelung der Einzelkabel als KunststoffIsolierung ausgeführt ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine hohe Wärmelei- tung von den Metalldrähten der Einzelkabel zu der Kühlleitung realisiert, bedingt einerseits durch die üblicherweise' intrinsisch hohe Wärmeleitfähigkeit von Niedrigschmelztemperatur-Metallen und andererseits durch die dünne Isolationsum- mantelung der Drähte, die eine große Kontaktfläche zwischen der KunststoffIsolierung der Metalldrähte und dem Niedrigschmelztemperatur-Metall ausbildet .
Überraschenderweise wurde von den Erfindern festgestellt, dass trotz der dünnen KunststoffIsolierung herkömmlicher Drähte bei deren Einbettung in ein elektrisch leitendes geschmolzenes Niedrigschmelztemperatur-Metall keine Kurzschlüsse auftreten. Versuche im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass die elektrische Kunststoff-Isolierung von kommerziell verfügbaren elektrischen Drähten ausreicht, solche Kurz- Schlüsse zu vermeiden.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen sehen hierbei vor, dass die KunststoffIsolierung eine Polyimid-Isolierung oder eine Polyester-Isolierung ist. Eine besonders vorteilhafte Variante einer Polyimid-Isolierung ist eine Ummantelung aus extrudiertem Kapton®. Eine besonders vorteilhafte Variante der Polyester-Isolierung ist eine Polyesterlack-Isolierung . Diese Varianten bieten den Vorteil, dass keine störenden chemischen Reaktionen zwischen einer Polyimid- oder Polyester- Isolierung und gängigen Niedrigschmelztemperatur-Metallen, insbesondere einer Zinn-Bismut-Legierung, stattfindet.
Diese Isolierungsvarianten bieten gegenüber einer Mineralisolierung ferner den Vorteil, dass beide Isolierungsvarianten uneingeschränkte Drahtbiegeradien ermöglichen und überraschenderweise in Bezug auf Kurzschlüsse, verursacht durch Porosität oder Risse, deutlich robuster als Mineralisolierungen sind.
Einen besonderen Vorzug von polyesterlackisolierten Drähten stellen zudem deren geringe Herstellungskosten dar, die üblicherweise um bis zu einem Faktor 50 günstiger als typische mineralisolierte Kabel sind.
Ein weiterer Vorzug der Erfindung liegt darin, dass bei einer Kühlung mittels eines separaten eigenen Kühlkanals, der über das Niedrigschmelztemperatur-Metall thermisch an die Einzelkabel angebunden ist, der Durchmesser des Kühlkanals unabhän- gig vom Durchmesser der Drähte festgelegt werden kann, was eine wesentlich effizientere Optimierung der Kühlung und eine davon unabhängige Festlegung des Spannungs-Stromstärke- Verhältnisses ermöglicht. Dieser Vorteil ist besonders für kleine Spulen aufgrund der starken Lichtlinearität der Was- serflüsse bedeutsam, vgl. Poiseuilles Formel.
Der Begriff eines Niedrigschmelztemperatur-Metalls (nachfolgend auch abgekürzt als NSTM, in Englisch: low melt tempera- ture metal (LMTM) ) soll auch Niedrigschmelztemperatur- Legierungen umfassen. Unter einem Niedrigschmelztemperatur- Metall wird somit ein Metall oder eine Legierung mit einer niedrigen Schmelztemperatur verstanden. Derartige Metalle werden auch als niedrigschmelzende Metalle oder Metalllegierungen bezeichnet. Das zur Wärmeanbindung der Einzelkabel verwendete Niedrigschmelztemperatur-Metall hat insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
Vorzugsweise hat das Niedrigschmelztemperatur-Metall einen Schmelzpunkt unter 260 °C, weiter vorzugsweise einen Schmelz- punkt unter 150 °C. Das Niedrigschmelztemperatur-Metall kann beispielsweise eine Zinn-Bismut-Legierung, eine Zinn-Blei- Legierung oder eine Lot-Legierung sein. Im Rahmen der Erfindung kann das Niedrigschmelztemperatur-Metall mindestens ein Metall oder eine Legierung aus der Gruppe Zinn, Zinn-Blei, Zinn-Zink oder Zinn-Bismut enthalten.
Die vorgegebene maximale Soll-Betriebstemperatur des Materials der isolierenden Ummantelung ist vorzugsweise größer als die Schmelztemperatur des Niedrigschmelztemperatur-Metalls, so dass beim Einbringen des geschmolzenen Metalls sichergestellt wird, dass die Isolierung der Einzelkabel nicht beschädigt wird. Das Leiterbündel ist mit dem Abschnitt der zumindest einen Kühlleitung vorzugsweise durch Vergießen mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall stoffflüssig verbunden, um eine gute thermische Anbindung sicherzustellen. Eine hervorgehobene Anwendung der Erfindung betrifft eine
Ausführung der Anordnung elektrischer Leiter als elektrische oder elektromagnetische flüssigkeitsgekühlte Spule, bei der das Leiterbündel mit dem mindestens einen elektrischen Einzelkabel wenigstens eine Wicklung der Spule ausbildet. Der in das Niedrigschmelztemperatur-Metall eingebettete Abschnitt der Kühlleitung ist hierbei vorzugsweise zirkulär.
Eine so ausgeführte Spule kann aufgrund der Verwendung kunst- stoffisolierter Drähte kompakt und kostengünstig und aufgrund der effizienten Kühlung gleichzeitig mit hoher Leistungsfähigkeit bereitgestellt werden. Im Rahmen der Erfindung besteht hierbei die Möglichkeit, dass die Spule einen hohl- torusförmigen Spulenkörper als Träger der wenigstens einen Wicklung der Spule aufweist., der die wenigstens eine Wicklung und den eingebetteten Abschnitt der Kühlleitung umgibt. Ein derartiger hohltorusförmiger Spulenkörper bietet ferner den Vorteil, dass dieser gleichzeitig als Gießform bei der Herstellung der Spule dienen kann. Die Kühlleitung kann bei- spielsweise als Kupferrohr ausgeführt sein und/oder im Wesentlichen in der Mitte des Hohlraums des Spulenkörpers verlaufen und somit gleichmäßig von den Wicklungen der Spule umgeben sein. Am Spulenkörper können ferner eine Zufluss- und eine Abpumpröhre angebracht sein, die zur Evakuierung des Spulenkörpers im Rahmen eines Vakuumgießverfahrens und zum
Einbringen des geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur-Metalls verwendet werden können.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung elektrischer Leiter, wie vorstehend offenbart, vorgeschlagen. Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung erfolgt die Einbettung des Leiterbündels bzw. der Einzelkabel und des Abschnittes der wenigstens einen Kühlleitung in das Niedrigschmelztemperatur-Metall mit- tels eines Vakuumgießverfahrens.
Das Einbringen des geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur- Metalls mittels eines Vakuumgießverfahrens verhindert, dass sich Luftblasen bilden, und stellt ferner sicher, dass auch an Engstellen zwischen Drähten keine Lücken entstehen.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht hierbei vor, dass der Spulenkörper vakuumdicht ausgeführt ist und somit als Gießform verwendet werden kann. Das Vakuumgießverfahren kann die folgenden Schritte aufweisen:
Am Spulenkörper werden eine Zuflussröhre und eine Abflussröhre angebracht, die jeweils fluidisch mit dem Hohlraum des Spulenkörpers in Verbindung stehen. Die Zuflussröhre wird vor " der Evakuierung des Spulenkörpers mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall, vorzugsweise mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall, das im nachfolgenden Vakuumgießverfahren in den Spulenkörper zur thermischen Anbindung einge- bracht wird, verschlossen. Die Zuflussröhre kann beispielsweise dadurch verschlossen bzw. verstopft werden, indem die Öffnung der Zuflussröhre in eine kleine Menge geschmolzenen Niedrigschmelztemperatur-Metalls eingetaucht wird, was anschließend wieder fest wird und dadurch die Öffnung ver- schließt.
Anschließend wird das Innere des Spulenkörpers, in dem sich die Spulenwicklungen und ein Kühlleitungsabschnitt befinden, über die Abflussröhre evakuiert. Hierbei hat sich gezeigt, dass die mit einer VorVakuumpumpe erzielbare Evakuierung ausreichend ist. Nach der Evakuierung des Spulenkörpers wird das die Zuflussröhre verschließende Niedrigschmelztemperatur- Metall geschmolzen, z. B. durch Bestromen und dadurch Erwärmen der Spule bis auf eine Temperatur etwas oberhalb der Schmelztemperatur des NSTMs. Vor dem Wiederöffnen der Zuflussröhre durch Schmelzen des NSTMs wird die Zuflussröhre so positioniert, dass ihre Eintrittsöffnung in ein Reservoir flüssigen NSTMs eingetaucht ist, so dass nach Schmelzen des NSTMs in der Zuflussröhre das geschmolzene NSMT, durch die Vakuumkraft im Spulenkörper getrieben, aus dem Reservoir in den Hohlraum des Spulenkörpers einfließt, bis der verbleibende Hohlraum im Spulenkörper vollständig mit dem NSTM ausgefüllt ist. Durch Abkühlen wird das NSTM dann fest. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als im Rahmen des Herstellungsverfahrens offenbart gelten und beanspruchbar sein. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Ab- schnitt der Spule gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung;
Figur 2 eine Perspektivansicht einer Spule, wobei zu Darstellungszwecken ein Viertel des Außenkörpers und der NSTM-Füllung weggelassen wurden;
Figur 3 ein Ablaufdiagramm zur Illustration der Schritte des Herstellungsverfahrens; und
Figur 4 eine schematische Perspektivdarstellung der Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die nachfolgenden Figuren beschreiben eine wassergekühlte Spule als hervorgehobenes Anwendungsbeispiel der Erfindung und deren Herstellungsverfahren. Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der wassergekühlten Spule ist in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Die Spule 1 umfasst einen Außenkörper 6 aus Kupfer, der hohltorusförmig ausgeführt ist. In Figur 1 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A der Figur 2 zur Darstellung eines Meridians des Torus, während Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Spule 1 zeigt, in der zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus ein Achtel des Außenkörpers 6 sowie das Niederschmelztemperatur-Metall 5 an dieser Stelle weggelassen wurde.
In den Figuren 1 und 2 ist erkennbar, dass mittig von dem durch den Spulenaußenkörper 6 gebildeten inneren Hohlraum ein zirkulärer Abschnitt 4 der Kühlleitung verläuft zur Durchströmung mit einem Kühlfluid, vorzugsweise Wasser. Der Ab- schnitt 4 des Kühlkanals ist durch eine einzige Wicklung eines hohlen Kupferrohres mit einem Durchmesser von 3 mm gebildet. Über eine Zuflussleitung 4a tritt Wasser in den zirkulären Leitungsabschnitt 4 ein und wird über eine Austrittslei- tung 4b wieder aus dem Spulenkörper 6 herausgeführt. Der Rest des Kühlkreislaufs, der in sich bekannter Weise ausgeführt ist, ist nicht dargestellt.
Um das Wasserkühlrohr 4 herum sind mehrere Wicklungen eines Kupferdrahtes angeordnet, so dass in der Darstellung der Figur 2 der zirkuläre Leitungsabschnitt 4 des Kühlrohres größtenteils von den Wicklungen überdeckt ist. Im vorliegenden Beispiel sind dies 60 Wicklungen. Die Wicklungen bestehen somit aus Einzelkabeln 2, deren elektrischer Leiter aus Kupfer- drahten gebildet wird, die mit einer Polyimid-Isolierung oder einer Polyester-Isolierung 3 ummantelt sind. Die Einzelkabel 2 bzw. Wicklungen sind durch Vergießen mit einem Niedrigschmelztemperatur-Metall (NSTM) 5 mit dem zirkulären Abschnitt 4 der Kühlleitung stoffschlüssig verbunden. Das NSTM 5 füllt somit alle Zwischenräume zwischen den Kabeln und dem Abschnitt 4 der Kühlleitung aus und leitet somit die im Betrieb der Spule entstehende Wärme der Einzelkabel 2 an den Abschnitt 4 der im Betrieb der Spule wasserdurchströmten Kühlleitung .
Es ist zu betonen, dass die Figuren 1 und 2 lediglich eine Prinzipdarstellung zeigen und die tatsächlichen Abstände zwischen den Wicklungen kleiner als tatsächlich dargestellt sind. Der Durchmesser der Einzelkabel 3 beträgt im vorliegen- den Ausführungsbeispiel beispielsweise 1,2 mm, während der
Durchmesser der Kühlleitung 4 mm beträgt. Diese Angaben sind lediglich beispielhaft und können abhängig vom Anwendungsgebiet der Spule entsprechend verändert werden. In Figur 2 sind zusätzlich noch die beiden elektrischen An- schluss-Leitungen 2a zur Bestromung der Wicklungen gezeigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als Beispiel für eine Polyimid-Isolierung extrudiertes Kapton® verwendet. Die maximale Soll-Betriebstemperatur des Kapton®-Drahts liegt laut Herstellerangaben bei 230 °C und somit deutlich unter¬ halb der Schmelztemperatur der verwendeten Zinn-Bismut- Legierung. Die KaptondD-Isolierung wird somit beim Einbringen einer geschmolzenen Zinn-Bismut-Legierung nicht beschädigt.
Als Polyester-Beispiel wurde eine Polyesterlack-Isolierung vom Typ W210 der Firma Stefan Maier GmbH verwendet. Als
NSTM 5 wurde eine Zinn-Bismut-Legierung verwendet, die mit einem Vakuumgießverfahren in den Spulenkörper 6 eingebracht wurde.
Derartige wassergekühlte Spulen finden Anwendungen in unterschiedlichen technischen Gebieten, beispielsweise für Physik- Experimente, für kompakte Hochleistungstransformer oder ver- schiedene kompakte Aktuatorvorrichtungen .
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren der Spule 1 ist nachfolgend anhand der Figur 3 näher beschrieben. In Schritt Sl wird der Spulenkörper 6 für das Vakuumgießverfahren vorbereitet. Dabei werden die vorstehend beschriebenen Wicklungen der Einzelkabel 2 und der zirkuläre Abschnitt 4 des Kühlrohres in den Hohlraum des Spulenaußenkörpers 6 eingebracht. Hierfür kann der Spulenaußenkörper 6 beispielsweise aus zwei Halbschalen gebildet sein, die um die Einzelkabel 2 und den Kühlrohrabschnitt 4 gelegt und durch Löten vakuumdicht miteinander verbunden werden. Der Spulenaußenkörper 6 weißt Durchgangsöffnungen für die Zuflussleitung und die Austrittsleitung 4b des Kühlkreislaufs auf. Ferner werden eine Zuflussröhre 7 (siehe Figur 4) und eine Abflussröhre 8 am Spulenkörper 6 angebracht. Die Abflussröhre 8 dient auch als Abpumprohr für eine angeschlossenene Vorvakuumpumpe. Die Öffnung der Zuflussröhre 7 wurde zu einem ungefähr 1 mm2 großen Spalt verengt, so dass die NSTM-Fließrate (siehe
Schritt S6) um ein bis zwei Größenordnungen reduziert wird auf ungefähr einen Liter pro Minute. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das NSTM während des Gießschrittes kon- trolliert ein- und ausfließt und nicht die angeschlossene
Vorvakuumpumpe erreicht, sondern stattdessen das Abpumprohr 8 verstopft, nachdem der Spulenkörper 6 vollständig gefüllt wurde. Dadurch können zuverlässig Vakuumblasen in der Spule und eine Beschädigung der Vorpumpe vermieden werden.
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Nachfolgend wird in Schritt S2 die Zuflussröhre 7 verschlossen, indem die Zuflussröhre 7 in eine kleine Menge des NSTMs, hier eine Zinn-Bismut-Legierung, eingetaucht wird. Die geschmolzene Zinn-Bismut-Legierung wird dann in der Zuflussröh- re 7 fest und verstopft diese. Anschließend wird in Schritt S3 das Abpumprohr 8 mit einer VorVakuumpumpe verbunden und der Spulenkörper 6 mit der Spulenwicklung evakuiert, d. h. mit der Vorvakuumpumpe leergepumpt. Die bisher verstopfte Öffnung der Zuflussröhre 7 wird nun in Schritt S5 in ein Reservoir eingetaucht, dass das NSTM im geschmolzenen Zustand enthält. Ferner wird die Spule durch Bestromung auf eine Temperatur bis 140 °C aufgeheizt, d. h. eine Temperatur, die etwas über der Schmelztemperatur des NSTMs, vorliegend 132 °C, liegt. Dadurch schmilzt die Verstopfung der Zuflussröhre 7 aus dem NSTM-Material , so dass das NSTM aus dem Reservoir, getrieben durch die Vakuumkräfte, über die nun nicht mehr verstopfte Zuflussröhre 7 in das Innere des Spulenkörpers 6 fließt und diesen vollständig aus- füllt, so dass die Wicklungen der Einzelkabel 2 und das Kühlrohr 4 im Innern des Spulenkörpers 6 vollständig mit dem NSTM eingebettet werden und dadurch thermisch aneinander angebunden sind. Anschließend wird die Spule abgekühlt, so dass das NSTM fest wird (Schritt S6) .
Das Trennen zwischen dem Evakuieren des Innenvolumens des Spulenkörpers 6 (Schritt S3) von dem anschließenden Eingießen des geschmolzenen NSTMs (Schritt S6) vermeidet zuverlässig die Bildung von Luftbläschen und verbessert die Wärmeübertragung aus der Spule in die Kühlleitung und damit in das Kühl- fluid .
In Figur 4 ist die Spule 1 aus Figur 2 gezeigt, mit dem Un- terschied, dass, wie vorstehend bereits erwähnt, noch zusätzlich die Zuflussröhre 7 und die Abflussröhre 8 am Spulenau- ßenkörper 6 vorgesehen sind, die nach Abfluss des Gießverfahrens entfernt werden können. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätz- lieh können viele Modifikationen ausgeführt werden, ohne den zugehörigen Bereich zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fal- len. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Anordnung elektrischer Leiter, umfassend
ein Leiterbündel mit mindestens einem elektrischen
Einzelkabel (2) ; und
wenigstens eine Kühlleitung (4, 4a, 4b) zur Durchströmung mit einem Kühlfluid,
wobei zur thermischen Anbindung des Leiterbündels an die wenigstens eine Kühlleitung (4, 4a, 4b) ein Abschnitt (4) der wenigstens einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) und das Leiterbündel in ein Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) eingebettet sind; dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Ummantelung (3) des mindestens einen Einzelkabels (2) als Kunststoff- Isolierung ausgeführt ist.
2. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch g-ekennzeichnet, dass die Kunststoff-Isolierung eine Polyimid- Isolierung oder eine Polyester-Isolierung ist.
3. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterbündel mit dem
AJoschnitt (4) der zumindest einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) durch Vergießen mit dem Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) s toffschlüssig verbunden ist.
4. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass die Polyimid-Isolierung eine Ummantelung aus extrudiertem Kapton® ist; und/oder
(b) dass die Polyester-Isolierung eine Polyesterlack- Isolierung ist; und/oder
(c) dass die elektrischen Leiter der Einzelkabel (2)
Kupferdrähte sind.
5. Anordnung elektrischer Leiter nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) einen
Schmelzpunkt unter 260 °C, weiter vorzugsweise einen
Schmelzpunkt unter 150 °C hat; und/oder
(b) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) eine Zinn- Bismut-Legierung, eine Zinn-Blei-Legierung oder eine
Lotlegierung ist; und/oder
(c) dass das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) mindestens ein Metall oder eine Legierung aus der Gruppe Zinn, Zinn-Blei, Zinn-Zink und Zinn-Bismut enthält.
6. Anordnung elektrischer Leiter nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als elektrische oder elektromagnetische
flüssigkeitsgekühlte Spule (1) ausgeführt ist, bei der das Leiterbündel mit dem wenigstens einen elektrischen Einzelkabel (2) wenigstens eine Wicklung der Spule ausbildet.
7. Anordnung elektrischer Leiter nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch einen die wenigstens eine Wicklung und den eingebetteten Abschnitt (4) der Kühlleitung (4, 4a, 4b) umgebenden hohltorusförmigen Spulenkörper (6) als Träger der wenigstens einen Wicklung.
8. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung des Leiterbündels und des Abschnitts (4) der wenigstens einen Kühlleitung (4, 4a, 4b) in das Niedrigschmelztemperatur-Metall (5) mittels eines Vakuum- Gießverfahrens hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Spulenkörper vakuumdicht ausgeführt ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte des Vakuumgießverfahrens :
Anordnen einer Zuflussröhre (7) und einer Abflussröhre (8) am Spulenkörper (6) (Sl);
Verschließen der Zuflussröhre (7) mit einem
Niedrigschmelztemperatur-Metall (S2) ;
Evakuieren des Spulenkörpers (6) über die Abflussröhre (8)
(S3);
Schmelzen des Niedrigschmelztemperatur-Metalls (5) in der Zuflussröhre (S5) , die in ein Reservoir flüssigen
Niedrigschmelztemperatur-Metalls eingetaucht ist (S4), so dass nach Schmelzen des Niedrigschmelztemperatur-Metalls in der Zuflussröhre (7) geschmolzenes Niedrigschmelztemperatur-Metall aus dem Reservoir getrieben durch Vakuumkräfte in den Hohlraum des Spulenkörpers (6) einfließt (S6).
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