WO2004107371A1 - Elektrische anordnung, elektrische einrichtung, kabel und draht, sowie die verfahren zum herstellen einer elektrischen anordnung - Google Patents

Elektrische anordnung, elektrische einrichtung, kabel und draht, sowie die verfahren zum herstellen einer elektrischen anordnung Download PDF

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WO2004107371A1
WO2004107371A1 PCT/EP2004/005741 EP2004005741W WO2004107371A1 WO 2004107371 A1 WO2004107371 A1 WO 2004107371A1 EP 2004005741 W EP2004005741 W EP 2004005741W WO 2004107371 A1 WO2004107371 A1 WO 2004107371A1
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contact layer
electrical arrangement
arrangement according
layer
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PCT/EP2004/005741
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Wilhelmus Gerardus Peters
Franciscus Maria Petrus Berghmans
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Elektrisola Dr. Gerd Schildbach Gmbh & Co. Kg
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • H01F41/12—Insulating of windings
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields

Definitions

  • the invention relates to an electrical arrangement or device consisting of a plurality of adjacent wires, each wire consisting of a conductive core, which is enveloped by at least one electrically insulating layer, which in turn is enclosed by a contact layer, the contact layer being made of a material with dielectric properties, the contact layers of at least two adjacent wires structurally making or forming mutual capacitive connections.
  • the invention further relates to a method according to the preamble of claim 22.
  • Electrical devices such as Electric motors, transformers and / or generators usually comprise one or more coils, one or more electrically conductive wires being located in or around the coil core, so that an electrical arrangement is formed from adjoining, adjoining wires which only partially touch. In operation, these coils are supplied with an alternating voltage.
  • a combination of an electric motor with a connected frequency converter with an AC voltage of 400 volts serves as an example.
  • the output signal of the frequency converter is pulse width modulated so that the fundamental wave gives a sine signal.
  • the slopes of the pulses are steeper than the runtime in the cable.
  • the impedance characteristic is a very important parameter.
  • the cable, the frequency converter and the motor have the same impedance characteristic so that the pulses delivered by the frequency converter reach the motor without change.
  • this is not possible, there are always differences in the impedance characteristics of the motors, cables and frequency converters.
  • reflections occur, with the result that voltage doubles (and possibly triples) can occur with short-acting voltage pulses. This will be particularly important for high-frequency signals with frequencies> 1 MHz, which give high-frequency signals in the existing signal.
  • this voltage can cause a short circuit between adjacent wires or wire parts of one or more coils with one another. This occurs particularly with compactly wound coils for motors. This effect is known as corona discharge / partial discharge.
  • the distance between the wires at which a short circuit occurs and the amount of voltage that occurs at small distances correspond to the pashing curve.
  • the breakdown occurs through free electrons. Initially, the breakdown voltage at which a short circuit occurs becomes smaller as the distance between two wires or electrodes becomes smaller.
  • the minimum breakdown voltage should be approx. 300 V, at a distance of approx. 7 ⁇ m.
  • the breakdown first occurs where the distance between the surface of the Wires at the lowest level of the pashing curve. When the wires actually touch, the breakdown does not occur at the contact point, but at some distance from it.
  • each layer around the core forms a capacitance, depending on the dielectric properties of the layer .
  • the poor contact between the surfaces of the wires results in only a small capacitance, which lies between the contact layers of the two wires.
  • Layers and the contact can be seen as a number of capacitors connected in series. Since the capacitance of the capacitor, which is formed by the contact, is relatively small in comparison to the other available capacitances, the greatest voltage difference arises via this small capacitance. The risk of a partial corona discharge still exists. Therefore, the occurrence of the corona discharge between the adjacent wires in prior art wires is not resolved.
  • the invention further relates to a wire for use in an electrical arrangement or device, consisting of a conductive core with at least one insulation layer around it, further comprising a contact layer lying around the (at least one) insulation layer, the contact layer being formed from a material with dielectric properties
  • the contact layer is suitable for forming a capacitive coupling together with the contact layers of adjacent wires.
  • the invention also relates to a cable consisting of a plurality of adjacent wires, each wire consisting of a conductive core with at least one insulation layer around it, and a contact layer lying around the at least one insulation layer, the contact layer being formed by a material with dielectric properties , wherein the contact layer is suitable to form a capacitive coupling together with contact layers of adjacent wires.
  • the invention relates to electrical devices, in particular devices belonging to the group of motors, generators, transformers and choke devices, as well as other devices consisting of one or more coils, a plurality of adjoining wire parts or wire sections comprising at least one wire wound around one or more coil cores form a plurality of coils, the wire comprising a conductive core with at least one insulation layer lying around it and a contact layer lying around the at least one insulation layer, the contact layer being made of a material with dielectric properties, the contact layer being formed to coexist with contact layers from adjacent ones Wires to form a capacitive coupling.
  • the invention also relates to a method for manufacturing an electrical arrangement or device, comprising the following steps: positioning a plurality of wires adjacent to one another in an arrangement or device, the wires having a conductive core with at least one insulation layer around it and comprises a contact layer lying around the at least one insulating layer, the contact layer being formed by a material with dielectric properties, the contact layer being suitable for forming a capacitive coupling together with contact layers of adjacent wires. It is an object of the present invention to provide an electrical arrangement or device which can efficiently counteract the formation of corona discharges between adjacent wires as a result of voltage increases.
  • the invention provides, in a first aspect, an electrical arrangement or device in which the contact layer is fusible in order to increase the capacitance of the capacitive contact in the fused state.
  • the wires should fuse in use or possibly be fused before use in order to bring about a capacitive coupling between adjacent wires with a sufficiently high capacity.
  • the voltage difference of the contact layers should be better compared to the voltage differences between the other layers, so that the likelihood of the voltage breaking through from one contact layer to the other contact layer is significantly lower.
  • the contact layer is an adhesion layer. It is thereby achieved that even before the contact layers fuse, an improved capacitive coupling between the wires is created, since the contact layers of adjacent wires or wire parts of the same wire can adhere to one another. This effect of the invention is thus enhanced by the adhesive layer and occurs in part before the fusion.
  • the contact layer is a plastic material, in particular a thermoplastic polymer.
  • plastics in particular thermoplastic polymers
  • advantages over the use of other materials due to the relatively low melting temperatures.
  • the contact layer can comprise a filling or admixture for increasing the capacitive properties of the contact layer.
  • the filler as an admixture can be added to the contact layer, for example a plastic or a thermoplastic polymer. This can be done, for example, in the form of a powder added or mixed into the contact layer and / or by means of added fibers.
  • the filler is a material that increases the capacitive properties of the contact layer, so that in use after the contact layers have fused, the capacitance of the contacts at a voltage frequency of more than 1 MHz is sufficient to significantly increase the occurrence of corona discharge Reduce.
  • the dielectric properties of materials are more or less frequency dependent. Based on this frequency dependency of the dielectric properties, an embodiment of the invention is used to add a material with optimal dielectric values for frequencies above 1 MHz to the contact layer.
  • the frequency range above 1 MHz is the range in which the voltage peaks mostly occur (those skilled in the art know that this depends on the application and that it may also have advantages to within the scope of the invention even in the frequency range below 1 MHz to realize good capacitive properties on the contact layer).
  • the fillers can comprise a large number of different materials, for example (possibly powdered) metals (such as silver, copper, gold, Aluminum, beryllium, zinc, nickel, iron, chromium, cobalt, molybdenum, tin or other metals with good electrically conductive properties), oxides (such as copper oxides, aluminum oxides, silicon oxides, zinc oxides, barium oxides, tantalum oxides or titanium oxides), nitrides (such as Si 3 N 4 ), carbon (such as carbon black, carbon fiber or nanotubes), ceramic materials, salts, plastics / plastics or a combination of the materials mentioned.
  • metals such as silver, copper, gold, Aluminum, beryllium, zinc, nickel, iron, chromium, cobalt, molybdenum, tin or other metals with good electrically conductive properties
  • oxides such as copper oxides, aluminum oxides, silicon oxides, zinc oxides, barium oxides, tantalum oxides or titanium oxides
  • the insulation layer of the wires could be a thermoset polymer, such as polyurethane, polyester, polyester imide, polyamide imide, polyimide, epoxy or combinations thereof.
  • the insulation layer consists of a thermoplastic material in which the melting temperature of the insulation layer is higher than the melting temperature of the contact layer.
  • the temperature of the melting process it could be advantageous to choose the temperature of the melting process so that it is significantly lower than the melting temperature of the insulation layer.
  • experts may prefer other material properties, such as elasticity or tensile strength, so that the melting temperature of the insulation layer is closer to the melting temperature of the contact layer.
  • the person skilled in the art should choose the material freely within the scope of this embodiment of the invention, preferably such that the melting temperature of the insulation layer is higher than the melting temperature of the contact layer.
  • a second aspect of this invention relates to a wire for use in an electrical arrangement or device, comprising a conductive core with at least one insulation layer around it and a contact layer lying around the at least one insulation layer, the contact layer being made of a material with dielectric properties, wherein the contact layer is suitable to form a capacitive coupling together with contact layers of adjacent wires, characterized in that the contact layer is fusible to increase the capacitance of the capacitive contact in the fused state.
  • a third aspect of this invention relates to a cable comprising a plurality of adjacent wires, each of the individual wires consisting of a conductive core with at least one insulation layer placed around it, and a contact layer around the at least one insulation layer, the contact layer being made of a material with dielectric properties exists, wherein the contact layer is suitable to form a capacitive coupling together with contact layers of adjacent wires, characterized in that the contact layer is fusible in order to to increase the capacitance of the capacitive contact in the fused state.
  • a wire according to the second aspect of the invention or a cable consisting of a plurality of twisted or non-twisted wires according to a third aspect of the invention for the production of electrical structures, arrangements or devices. So the skilled person should be able to e.g. to wind any desired coil with a desired number of windings and a desired diameter with such a wire or cable.
  • a fourth aspect of the invention relates to an electrical device, in particular a device belonging to the group of motors, generators, transformers and choke coils, wherein a plurality of adjoining wire parts of at least one wire wound around one or more coil cores form one or more coils, the Wire consists of a conductive core, with at least one insulation layer placed around it, and a contact layer lying around the at least one insulation layer, the contact layer consisting of a material with dielectric properties, the contact layer being suitable, together with contact layers of adjacent wires, a capacitive coupling to form, characterized in that the contact layer for increasing the capacitance of the capacitive couplings in the fused state is fusible.
  • a fifth aspect of the invention relates to a method for manufacturing an electrical arrangement or device, comprising the following steps: positioning a plurality of wires adjacent to one another in an electrical arrangement, the wires comprising a conductive core with at least one insulation layer around it and one to comprise the contact layer lying at least one insulating layer, wherein the contact layer consists of a material with dielectric properties, and the contact layer is suitable, together with contact layers from adjacent wires, to form a capacitive coupling which is formed by the fusing of the contact layers from at least two adjacent wires a plurality of wires, for increasing the capacitance of the capacitive contact of the arrangement is manufactured and improved.
  • An electrical arrangement or device can be easily produced in this way.
  • the fusing of the contact layers is achieved by direct or indirect electrical heating, in an oven or with solvent.
  • the fusion is achieved by means of heating / dissipation by means of electrical energy fed into the coils, for which purpose the electrical device is used.
  • the capacitive properties of the contact layer become larger over time until an optimum is reached, the properties stabilizing.
  • Fig. 2 is an electrical schematic showing the capacitive contact between the contact and insulating layers of two adjacent wires according to the prior art, as shown in Fig. 1;
  • FIG. 4 is an electrical schematic diagram showing the capacitive coupling between contact and insulating layers of two wires, the two contact layers fusing together to form a contact layer as shown in FIG. 3.
  • Fig. 1 shows a cross section of two adjacent wires or wire parts 1, 5 according to the current state of the art.
  • Both wires comprise an electrically conductive core 2, 6 and an insulation layer 3, 7 around them and a contact layer 4, 8 with capacitive properties around the insulation layer in order to distribute the accumulated charge over the surface of the wire.
  • the insulation layers 3 and 7 like the contact layers 4 and 8 could, for example, be made of a polymer with suitable ones Properties.
  • the wires 1 and 5 lie side by side, the contact surfaces 4 and 8 touching.
  • the dotted line 10 indicates a combination of two points on both contact layers 4 and 8 (indicated by the two ends of the dotted line), the distance between the points being the same as the distance at which the breakdown voltage coincides with the pashing curve Has minimum value.
  • corona discharges occurring between the two points is therefore very large.
  • the person skilled in the art understands that any combination of points can be chosen for the two contact layers 4 and 8, the distance being the same d min ; the breakdown voltage has a minimum value for this combination of points and the risk of corona discharges occurring between the two points of the combination is very great.
  • the occurrence of corona discharges depends to a large extent on the voltage difference between the points, indicated by the dotted line 10. This voltage difference depends on the capacitance of the contacts between the two contact layers 4 and 8, the contact being formed by the wires 1 and 5 through the two mutually opposite contact layers 4 and 8.
  • the capacitance size is directly proportional to the dielectric properties and indirectly proportional to the distance d.
  • the capacitance of a capacitor, formed by the capacitor plates with an air layer in between, is determined by the dielectric properties of the air layer (e r ⁇ 1) and the distance between the capacitor plates. Since the electrical constant of air is small, the capacitance of such a capacitor is also relatively very limited.
  • the insulation layer 3 of the wire 1 is schematically represented by a capacitor 12 with a capacitance C 12 and the contact layer 4 is schematically represented by a capacitor 13 with capacitance C 3 .
  • the insulation layer 7 of wire 5 is represented schematically by a capacitor 16 with capacitance C 6
  • the contact layer 8 is represented by a capacitor 15 with capacitance C 5 .
  • the capacitor 14 with capacitance C 14 lying in the space between the contact layers 4 and 8 is also shown schematically.
  • capacitors in the schematic representation of the capacitive contact form a system of five connected in series Capacitors, namely C ⁇ 2 , C 13 , C i4 , C ⁇ 5 , C ⁇ 6 (12 to 16).
  • capacitor 14 with capacitance C ⁇ 4 is the one with the lowest power and you can compare it with a capacitor consisting of two capacitor plates (the contact layers 4 and 8) with air in between.
  • the impedance of a capacitor is directly proportional to 1 / C. According to Ohm's law, in the case of capacitors connected in series, there is the greatest voltage difference across the capacitor with the smallest capacitance, as shown in FIG. 2. Therefore, the voltage difference across capacitor 14 (Fig. 2) is the largest, since the capacitance C i4 is much smaller than the capacities C ⁇ 2 , C ⁇ 3 , C ⁇ 5 and C ⁇ 6 of the contact layers 4 and 8 and the insulation layers 3 and 7 of the Wires 1 and 5 (capacitors 12, 13, 15 and 16).
  • the electrical breakdown most likely occurs first in the air space between the contact layers 4 and 8 and not in the polymer in the insulation layers 3 and 7 or the contact layers 4 and 8.
  • the combination of that Largest existing voltage difference and the relatively small capacitance of the capacitor 14 increases the possibility of a breakdown.
  • the breakdown will occur in the air space in which the distance is approximately equal to d min , which is the distance at which the breakdown voltage is lowest according to the pashing curve.
  • Fig. 3 shows two wires, (1, 5) according to the invention, the designation numbers from Fig. 1 having been adopted for simplification for the reader. Attention is drawn to the fact that the fig. 3 and 4 show an embodiment of the invention, in contrast to FIGS. 1 and 2, in which only the prior art is shown.
  • the wires 1 and 5 each in turn comprise a conductive core 2, 6 with an insulation layer 3, 7 around it and a contact layer 4, 8 with dielectric properties around the insulation layer.
  • the contact layer can e.g. formed by a thermoplastic polymer with the desired dielectric properties.
  • the contact layer can also consist, for example, of a base material / base material with the desired melting properties, with an admixture or filling of a material in order to obtain the desired dielectric properties.
  • a thermoplastic polymer can serve as the base material with the addition of fillers, such as (possibly powdery) metals such as (silver, copper, gold, aluminum, belryllium, zinc, nickel, iron, chromium, Cobalt, molybdenum, tin or other metals with good electrical conductivity), oxides (such as copper oxides, aluminum oxides, silicon oxides, zinc oxides, barium oxides, tantalum oxides or titanium oxides), nitrides (such as Si 3 N 4 ), carbons (such as carbon black, carbon fiber or Nanotubes), ceramic materials, salts, plastics or a combination of the materials mentioned.
  • fillers such as (possibly powdery) metals such as (silver, copper, gold, aluminum, belryllium, zinc, nickel, iron
  • a capacitive coupling is formed by adjacent contact layers 4, 8 of the two wires 1 and 5.
  • the contact layers are fusible, so that, as drawn, they result in a weld 20 after sufficient heating, in which the contact layers 4 and 8 of the wires 1 and 5 have been fused together.
  • the molten contact layer can flow sufficiently.
  • the weld can be created or manufactured in various ways.
  • the fusion can take place, for example, by heating or heating, by dissipation of electrical energy, in other words by supplying current into the wires, heating in an oven and / or by gluing by solvents.
  • the adjacent contact layers 4, 8 are then welded together.
  • Another possibility is, for example, that after winding wires for the manufacture of one or more coils for a motor, generator, transformer, dynamo or another device / unit / assembly, one or more coils containing the fusion after the manufacturing process by heat takes place which arises in the facility through the use of the facility.
  • a merging of the adjacent contact layers 4, 8 can therefore only take place when an electrical arrangement or device is started up.
  • This capacity depends on the dimensions of the welding point. A narrow, small weld results in a relatively small capacity.
  • the condenser 18 runs parallel to the condenser 14 located in the air space, which is only partially present.
  • the capacitance of the total capacitive coupling is most affected by the capacitance of the capacitor 18 of the weld 20.
  • a larger weld than the weld 20 shown in FIG. 3 will result in a much larger capacitance.
  • the schematic representation of the capacitive coupling, shown in FIG. 3, is shown as a detail in FIG. 4.
  • the insulation layers 3 and 7 are in turn represented by the capacitors 12 and 16 with the capacitances C i2 and C ⁇ 6 and the contact layers 4 and 8 are in turn replaced by capacitors 13 and 15 with capacities C ⁇ 3 and C ⁇ 5 .
  • the capacity of the welding point 20 and the air space which is still partially present are represented by the capacitors 18 and 14 with the capacitances C 18 and C 4 .
  • the total capacitance of the capacitors 18 and 14 is equal to the sum of the two capacitances, and since the capacitance C 8 of the welding point 20 is much larger than the capacitance C 4 4 , the total capacitance is relatively large and comparable to the capacities C 3 and C 5 of the Capacitors 13 and 15 if the weld 20 is sufficiently large.
  • the contact layer is also an adhesive layer. In this way, a capacitive coupling with a larger capacitance can be obtained before the contact layer melts than without an adhesive layer.
  • the insulation layer can be made of a thermosetting plastic, e.g. Polyurethane, polyester, polyester imide, polyamide imides, polyimide, epoxy or combinations thereof. It is also possible to choose a thermoplastic that remains intact at the melting temperature of the contact layer. The material should be chosen so that the melting temperature of the insulation layer is higher than the melting temperature of the contact layer.
  • the manufacture of such a strand or cable can take place during the manufacture of an electrical device, and subsequently the contact layers can be fused by heating the entire electrical structure.
  • This heating can take place in the operation of the device or arrangement, e.g. by thermal dissipation of electrical energy in the contact layer.

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Abstract

Bei einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung, umfassend eine Vielzahl von aneinander angrenzenden Drähten (1, 5), wobei jeder Draht (1,5) aus einem leitenden Kern besteht, umhüllt durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3, 7) und einer um die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht liegende Kontaktschicht (4, 8) ist vorgesehen, dass diese Kontaktschicht (4, 8) aus einem Material mit diëlektrischen Eigenschaften besteht. Die Kontaktschicht (4, 8) von mindestens zwei angrenzenden Drähten (1, 5) in der elektrischen Anordnung oder Einrichtung bilden eine wechselseitige kapazitive Kopplung, wobei die Kontaktschicht (4, 8) schmelzbar ist, um die Kapazität der kapazitiven Kopplung im verschmolzenen Zustand zu vergrössern.

Description

Elektrische Anordnung, elektrische Einrichtung, Kabel und Draht, sowie die Verfahren zum Herstellen einer elektrischen. Anordnung.
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung oder Einrichtung, bestehend aus einer Vielzahl von angrenzenden Drähten, wobei jeder Draht aus einem leitenden Kern besteht, welcher durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht umhüllt wird, welche wiederum durch eine Kontaktschicht umschlossen wird, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschichten von mindestens zwei angrenzenden Drähten von ihrem Aufbau her wechselseitige kapazitive Verbindungen eingeht oder bildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 22.
Eine derartige elektrische Anordnung ist bekannt und wurde schon beschrieben in der US 2002/0041950 AI (Fournier et al.), Titel: „Vamishing composition, a method of manufacturing the composition, a coated winding wire, and a resulting coiP\
Elektrische Einrichtungen, wie z.B. Elektromotoren, Transformatoren und/oder Generatoren, umfassen meistens eine oder mehrere Spulen, wobei ein oder mehrere elektrisch leitfähige Drähte sich in oder um den Spulenkern befinden, so dass eine elektrische Anordnung aus angrenzenden, aneinander liegenden Drähten entsteht, die sich nur teilweise berühren. Im Betrieb werden diese Spulen mit einer Wechselspannung gespeist.
Als Beispiel dient eine Kombination von einem Elektromotor mit einem angeschlossenen Frequenzumrichter mit einer Wechselspannung von 400 Volt. Das Ausgangssignal des Frequenzumrichters ist pulsbreiten moduliert, so dass die Grundwelle ein Sinus-Signal ergibt. Bei modernen Frequenzumrichtern sind die Steigungen der Pulse steiler als die Laufzeit im Kabel.
Daraus folgt, dass die Impedanzcharakteristik ein sehr wichtiger Parameter ist. Im Idealfall hat das Kabel, der Frequenzumrichter und der Motor die gleiche Impedanzcharakteristik, so dass die durch den Frequenzumrichter gelieferten Pulse ohne Änderung zum Motor gelangen. In der Praxis ist dies nicht möglich, es existieren immer Unterschiede der Impedanzcharakteristik der Motoren, der Kabel und der Frequenzumrichter. Dadurch treten Reflektionen auf, mit der Folge, dass bei kurzwirkenden Spannungspulsen Spannungsverdoppelungen (eventuell auch Verdreifachungen) auftreten können. Das wird besonders bei Hochfrequenzsignalen mit Frequenzen > 1 MHz von Bedeutung sein, welche hochfrequente Signale in das schon vorhandene Signal geben.
Bei einem Signal mit einer Spannung von 400V, und folglich einer
Spannungsspitze aus Ϊ. • 400V » 565V, kann z.B. in einem Teil eines angeschlossenen Motors eine Spannung von 2 • 565V = 1130 V entstehen.
In dem Elektromotor kann diese Spannung einen Kurzschluss zwischen angrenzenden Drähten oder Drahtteilen von einer oder mehreren Spulen untereinander verursachen. Dies tritt speziell bei kompakt gewickelten Spulen für Motoren auf. Dieser Effekt ist bekannt als Korona-Entladung/Teilentladung.
Der Abstand zwischen den Drähten, bei dem ein Kurzschluss auftritt, und die Höhe der Spannung, die bei kleinen Abständen auftritt (etwa zwischen 0 - 100 μm), entsprechen der Pashing-Kurve. Der Durchschlag tritt durch freie Elektronen auf. Am Anfang wird die Durchschlagspannung, bei der ein Kurzschluss auftritt, immer geringer, wenn der Abstand zwischen zwei Drähten oder Elektroden kleiner wird.
Der Spannungsabfall wird immer geringer, bis der Nullpunkt erreicht ist. Wird der Abstand noch geringer, steigt die Durchschlagsspannung wieder schnell an. Dieser Anstieg der Durchschlagspannung kommt daher, dass bei sehr kleinen Abständen zwischen den Elektroden zuwenig freie Elektronen anwesend sein können, um einen Durchschlag zu verursachen. Bei zwei auf Abstand voneinander plazierten Elektroden in Luft unter normalen atmosphärischen Bedingungen sollte die Minimumdurchschlagsspannung ca. 300V sein, bei einem Abstand von ca. 7 μm.
Wenn man zwei zylinderförmige leitfähige Drähte, die jeweils einen leitfähigen Kern und einen umhüllenden isolierenden Mantel oder eine Isolierschicht haben, nebeneinandergelegt und den Spannungsunterschied zwischen den Drähten langsam erhöht bis ein Kurzschluss auftritt, tritt der Durchschlag zuerst dort auf, wo der Abstand zwischen der Oberfläche der Drähte bei tiefstem Stand der Pashing-Kurve übereinstimmt. Wenn sich die Drähte tatsächlich berühren, tritt der Durchschlag nicht an dem Kontaktpunkt auf, sondern in einigem Abstand davon.
Es ist bekannt, dass Drähte, die zum Spulenwickeln benutzt werden, mit einer Kontaktschicht mit kapazitiven Eigenschaften beschichtet sind. Das ist im obengenannten Dokument US 2002/0041960 AI beschrieben worden. Die kapazitive Kontaktschicht, welche normalerweise eine Isolationsschicht des Drahtes umschließt, sorgt bei Auftreten der Korona-Entladung dafür, dass die Breite des Durchschlagpulses größer wird, da die Ladung sich über die Kontaktschicht verteilen kann. Auf diese Weise wird dem Entstehen von „hotspots" entgegengewirkt. Das bedeutet, dass Fehlstellen in der Isolation, an denen die Stromdichte als Folge der Entladung so hoch ist, dass der Draht durch lokale Verlustleistung (Dissipation) von elektrischer Energie lokal beschädigt wird, welche eine starke lokale Wärmeentwicklung zur Folge hat.
Obwohl o.g. Draht die durch Korona-Entladung an dem Draht entstehenden Schäden reduziert, wird das Problem des Entstehens der Korona-Entdeckung nicht gelöst. Die kapazitiven Schichten von angrenzenden Drähten oder Drahtteilen, welche sich gegenseitig berühren, können keine idealen kapazitiven Berührungen bilden.
In einem System von z.B. zwei angrenzenden Drähten, in dem jeder Draht aus einem leitfähigen Kern gebildet wird, eine um den Kern liegende Isolationsschicht, sowie eine um die Isolationsschicht liegende Schicht mit kapazitiven Eigenschaften, bildet jede um den Kern liegende Schicht eine Kapazität, abhängig von den dielektrischen Eigenschaften der Schicht. Der schlechte Kontakt zwischen den Oberflächen der Drähte ergibt nur eine kleine Kapazität, welche zwischen den Kontaktschichten der beiden Drähte liegt.
Von dem Kern des einen Drahtes zum Kern des anderen Drahtes können die dazwischenliegenden . Schichten und der Kontakt (Isolationsschicht, Kontaktschicht, Kontakt, Kontaktschicht, Isolationsschicht) wie eine Anzahl in Serie geschalteter Kondensatoren gesehen werden. Da die Kapazität des Kondensators, die durch den Kontakt gebildet wird, relativ klein ist im Vergleich zu den anderen vorhandenen Kapazitäten, entsteht über diese kleine Kapazität der größte Spannungsunterschied. Die Gefahr, dass eine Korona-Teilentladung entsteht, ist immer noch vorhanden. Deswegen ist das Auftreten der Korona-Entladung zwischen den angrenzenden Drähten bei Drähten nach dem Stand der Technik nicht gelöst.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Draht zur Verwendung in einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung , bestehend aus einem leitenden Kern mit mindestens einer darum gelegenen Isolationsschicht, weiterhin umfassend eine um die (mindestens eine) Isolierschicht liegende Kontaktschicht, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften gebildet wird, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit den Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden.
Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Kabel, bestehend aus einer Vielzahl angrenzender Drähte, wobei jeder Draht aus einem leitfähigen Kern mit mindestens einer darum gelegten Isolationsschicht besteht, sowie ein um die mindestens eine Isolationsschicht liegende Kontaktschicht, wobei die Kontaktschicht durch ein Material mit dielektrischen Eigenschaften gebildet wird, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden. Weiterhin betrifft die Erfindung elektrische Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen gehörend zur Gruppe der Motoren, Generatoren, Transformatoren und Drosseleinrichtungen sowie andere Einrichtungen aus einer oder mehreren Spulen, wobei eine Vielzahl angrenzend aneinander liegender Drahtteile oder Drahtabschnitte von mindestens einem um einen oder mehrere Spulenkerne gewickelten Draht ein oder mehrere Spulen bilden, wobei der Draht einen leitfähigen Kern mit mindestens einer darum liegenden Isolationsschicht und eine um die mindestens eine Isolierschicht liegende Kontaktschicht umfasst, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht ausgebildet ist, um zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden.
Ebenfalls bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für das Fertigen einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung, umfassend die nachfolgenden Schritte: das angrenzend aneinander Positionieren von einer Vielzahl von Drähten in einer Anordnung oder Einrichtung, wobei die Drähte einen leitfähigen Kern mit mindestens einer darum liegenden Isolationsschicht und eine um den mindestens eine Isolierschicht liegende Kontaktschicht umfasst, wobei die Kontaktschicht durch ein Material mit dielektrischen Eigenschaften gebildet wird, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Anordnung oder Einrichtung zu schaffen, mit der dem Entstehen von Korona-Entladungen zwischen angrenzenden Drähten als Folge von Spannungserhöhungen auf effiziente Weise entgegengewirkt werden kann.
Dazu schafft die Erfindung unter einem ersten Aspekt eine elektrische Anordnung oder Einrichtung bei der die Kontaktschicht schmelzbar ist, um im verschmolzenem Zustand die Kapazität des kapazitiven Kontaktes zu vergrößern.
Dadurch wird erreicht, dass die Drähte im Gebrauch verschmelzen sollen oder eventuell vor Gebrauch verschmolzen werden können für das Zustandebringen von einer kapazitiven Kopplung zwischen angrenzenden Drähten mit einer genügend hohen Kapazität. Hierdurch sollte der Spannungsunterschied der Kontaktschichten verglichen mit den Spannungsunterschieden zwischen den anderen Schichten besser sein, so dass die Wahrscheinlichkeit des Durchschlags der Spannung von der einen Kontaktschicht zur anderen Kontaktschicht deutlich geringer wird.
Korona-Teilentladung zwischen unterschiedlichen Drähten oder Drahtteilen sollte deshalb deutlich seltener auftreten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktschicht eine Haftungsschicht. Dadurch wird erreicht, dass sogar vor einem Verschmelzen der Kontaktschichten schon eine verbesserte kapazitive Kopplung zwischen den Drähten entsteht, da die Kontaktschichten von angrenzenden Drähten oder Drahtteilen von demselben Draht aneinander haften können. Dieser Effekt der Erfindung wird also durch die Haftschicht verstärkt und tritt schon teilweise vor dem Verschmelzen auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktschicht ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein thermoplastisches Polymer.
Die Verwendung von Kunststoffen, insbesondere von thermoplastischen Polymeren, hat aufgrund von relativ niedrigen Schmelztemperaturen Vorteile gegenüber der Verwendung von anderen Materialien.
Außerdem kann die Kontaktschicht, ähnlich einer anderen Ausführungsform der Erfindung, eine Füllung oder Beimischung, für die Erhöhung der kapazitiven Eigenschaften der Kontaktschicht umfassen.
Das Füllmittel als Beimischung kann zum Beispiel einem Kunststoff oder einem thermoplastischen Polymer der Kontaktschicht hinzugefügt werden. Das kann zum Beispiel in Form von einem in die Kontaktschicht hinzugefügten oder eingemischten Pulver und/oder durch hinzugefügte Fasern erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Füllmittel ein Material, das die kapazitiven Eigenschaften der Kontaktschicht vergrößert, so dass im Gebrauch nach dem Verschmelzen der Kontaktschichten die Kapazität der Kontakte bei einer Spannungsfrequenz von mehr als 1 MHz ausreicht, um das Auftreten von Korona-Entladung deutlich zu vermindern.
Da die Spannungsspitzen, die den Durchschlag verursachen, höhere Frequenzen haben (meistens > 1 MHz), hat es einen Vorteil, die Kontaktschicht auf eine Weise zu präparieren, dass die schädlichen Effekte in den genannten Frequenzbereichen nicht auftreten.
Die dielektrischen Eigenschaften von Materialien zeigen mehr oder weniger eine Frequenzabhängigkeit. Ausgehend von dieser Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften wird eine Ausführungsform der Erfindung dazu benutzt, ein Material mit optimalen dielektrischen Werten für Frequenzen oberhalb von 1 MHz der Kontaktschicht hinzuzufügen. Der Frequenzbereich oberhalb von 1 MHz ist der Bereich, in welchem die Spannungsspitzen meistens auftreten (die Fachleute wissen, dass die vom Anwendungsfall abhängt, und dass es eventuell auch Vorteile haben kann, um innerhalb des Umfanges der Erfindung auch schon in dem Frequenzbereich unterhalb von 1 MHz gute kapazitive Eigenschaften an der Kontaktschicht zu realisieren).
Die Füllmittel können eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien umfassen, z.B. (evtl. pulverförmige) Metalle (wie Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Beryllium, Zink, Nickel, Eisen, Chrom, Kobalt, Molybden, Zinn oder andere Metalle mit guten elektrischen leitfähigen Eigenschaften), Oxide (wie Kupferoxide, Aluminiumoxide, Siliciumoxide, Zinkoxide, Bariumoxide, Tantaloxide oder Titanoxide), Nitride (wie Si3N4), Kohlenstoff (wie Carbon black, Kohlenstofffaser oder Nanotubes), keramische Materialien, Salze, Kunststoff/Kunststoffe oder eine Kombination von den genannten Materialien.
Die Isolationsschicht der Drähte könnte ein wärmehärtbares Polymer (thermoset Polymer) sein, wie Polyurethan, Polyester, Polyesterimid, Polyamid-imide, Polyimid, Epoxy oder Kombinationen davon.
In einer anderen Ausführungsform besteht die Isolationsschicht aus einem thermoplastischem Material, bei dem die Schmelztemperatur der Isolationsschicht höher ist als die Schmelztemperatur der Kontaktschicht.
Hierdurch wird erreicht, dass bei dem Verschmelzen der Kontaktschichten die Isolationsschicht intakt bleibt. In der Praxis könnte es von Vorteil sein, die Temperatur des Schmelzprozesses so zu wählen, dass sie bedeutend niedriger ist als die Schmelztemperatur der Isolationsschicht. Die Fachleute ziehen ggf. aber andere Materialeigenschaften vor, wie z.B. Elastizität oder Reißfestigkeit, so dass dadurch die Schmelztemperatur der Isolationsschicht der Schmelztemperatur der Kontaktschicht näher liegt. In diesem Fall sollte der Fachmann innerhalb des Schutzbereiches dieser Ausführungsform der Erfindung das Material frei wählen, vorzugsweise so, dass die Schmelztemperatur der Isolationsschicht höher ist als die Schmelztemperatur der Kontaktschicht.
Ein zweiter Aspekt dieser Erfindung betrifft einen Draht für den Gebrauch in einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung , umfassend einen leitfähigen Kern mit mindestens einer darum gelegten Isolationsschicht, und einer um die mindestens eine Isolationsschicht liegenden Kontaktschicht, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, um zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitiven Kopplung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht schmelzbar ist, um im verschmolzenem Zustand die Kapazität des kapazitiven Kontaktes zu vergrößern.
Ein dritter Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Kabel umfassend eine Vielzahl angrenzender Drähte wobei jeder der einzelnen Drähte aus einem leitfähigen Kern besteht, mit mindestens einer darum gelegten Isolationsschicht, und einer um die mindestens eine Isolationsschicht liegenden Kontaktschicht, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht schmelzbar ist, um im verschmolzenem Zustand die Kapazität des kapazitiven Kontaktes zu vergrößern.
Es hat Vorteile, einen Draht nach dem zweiten Aspekt der Erfindung, oder ein Kabel bestehend aus einer Vielzahl von verdrillten oder nicht verdrillten Drähten nach einem dritten Aspekt der Erfindung für die Produktion von elektrischen Aufbauten, Anordnungen oder Einrichtungen zu benutzen. So sollte der Fachmann imstande sein, z.B. jede gewünschte Spule mit einer gewünschter Anzahl von Wicklungen und gewünschtem Durchmesser mit einem derartigen Draht oder Kabel zu wickeln.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Einrichtung, insbesondere eine Einrichtung gehörend zur Gruppe der Motoren, Generatoren, Transformatoren und Drosselspulen, wobei eine Vielzahl angrenzend aneinander liegender Drahtteile von mindestens einem um einen oder mehrere Spulenkerne gewickelten Draht ein oder mehrere Spulen bilden, wobei der Draht aus einem leitfähigen Kern besteht, mit mindestens einer darum gelegten Isolationsschicht, und eine um die mindestens eine Isolationsschicht liegende Kontaktschicht, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht zum Vergrössern der Kapazität der kapazitiven Kopplungen im verschmolzenem Zustand schmelzbar ist. Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren für das Fertigen einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung, umfassend die nachfolgenden Schritte: das angrenzend aneinander Positionieren von einer Vielzahl von Drähten in einer elektrischen Anordnung, wobei die Drähte einen leitfähigen Kern mit mindestens einer darum liegenden Isolationsschicht und eine um die mindestens eine Isolierschicht liegende Kontaktschicht umfasst, wobei die Kontaktschicht aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, und die Kontaktschicht geeignet ist, zusammen mit Kontaktschichten von angrenzenden Drähten eine kapazitive Kopplung zu bilden, welche durch das Verschmelzen der Kontaktschichten von mindestens zwei angrenzenden Drähten aus einer Vielzahl von Drähten, zum Vergrössern der Kapazität des kapazitiven Kontaktes der Anordnung hergestellt und verbessert wird.
Eine elektrische Anordnung oder Einrichtung kann auf diese Weise einfach hergestellt werden.
Da es bei der Herstellung von Motoren Vorteile gibt, um eine oder mehrere Spulen in dem Motor völlig oder teilweise ineinander zu wickeln um einen oder mehrere Spulenkerne, gibt es eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung nach dem fünften Aspekt: eine Verfahrensweise, wobei die angrenzenden aneinander positionierte Vielzahl von Drähten, um mindestens einen Spulenkern herum gewickelt werden, von einem oder mehreren Drähten für das Bilden von einer oder mehreren völlig oder teilweise ineinander gewickelte Spulen, wobei die Vielzahl der Drähte durch unterschiedliche angrenzende Drähte auf eine oder mehreren Spulen mit jeweils einem oder mehreren Drähten gebildet wird.
Außerdem wird bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Verschmelzen der Kontaktschichten durch direkte oder indirekte elektrische Erwärmung, in einem Ofen oder mit Lösungsmittel erreicht.
Eine derartige Verfahrensweise für das Verschmelzen der Kontaktschichten gibt gute Ergebnisse in Kombination mit der Vorgehensweise gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Verschmelzen erreicht mittels Erwärmung/Dissipation mittels in die Spulen eingespeister elektrischer Energie, wozu man die elektrische Einrichtung benutzt.
Hierdurch werden die kapazitiven Eigenschaften der Kontaktschicht im Laufe der Zeit größer, bis ein Optimum erreicht wird, wobei sich die Eigenschaften stabilisieren.
Die Erfindung wird unter anderem erklärt anhand von nachfolgenden Beispielen mit Verweis auf die Figuren:
Es zeigen: Fig. 1 zwei aneinander angrenzende, auf eine Spule gewickelte Drähte oder Drahtteile nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine elektrische schematische Darstellung, die den kapazitiven Kontakt zwischen den Kontakt- und Isolierschichten von zwei aneinandergrenzenden Drähten nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 3 zwei aneinander angrenzende Drähte in einer elektrischen Anordung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 eine elektrische schematische Darstellung, die die kapazitive Kopplung zwischen Kontakt- und Isolierschichten von zwei Drähten zeigt, wobei die beiden Kontaktschichten miteinander zu einer Kontaktschicht wie in Fig. 3 gezeigt, verschmelzen.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt von zwei angrenzenden Drähten oder Drahtteilen 1, 5 nach dem heutigen Stand der Technik. Beide Drähte umfassen einen elektrisch leitenden Kern 2, 6 und eine darumliegende Isolationsschicht 3, 7 und eine um die Isolationsschicht liegende Kontaktschicht 4, 8 mit kapazitiven Eigenschaften, um über die Oberfläche des Drahtes die akkumulierte Ladung zu verteilen. Die Isolationsschichten 3 und 7 wie die Kontaktschichten 4 und 8 könnten z.B. aus einem Polymer mit geeigneten Eigenschaften hergestellt sein. Die Drähte 1 und 5 liegen nebeneinander, wobei sich die Kontaktflächen 4 und 8 berühren. Die punktierte Linie 10 gibt eine Kombination von zwei Punkten auf beiden Kontaktschichten 4 und 8 an (angedeutet durch die zwei Enden der punktierten Linie) wobei der Abstand zwischen den Punkten derselbe ist wie der Abstand, bei dem die Durchschlagsspannung übereinstimmend mit der Pashing-Kurve einen Minimalwert hat. Die Möglichkeit für das Auftreten von Korona-Entladungen zwischen den beiden Punkten ist deshalb sehr groß. Der Fachmann versteht, dass jede Kombination von Punkten bei den beiden Kontaktschichten 4 und 8 gewählt werden kann, wobei der Abstand gleich ist dmιn; für diese Kombination von Punkten hat die Durchschlagsspannung einen Minimumwert und die Gefahr für das Auftreten von Korona-Entladungen zwischen den beiden Punkten der Kombination ist sehr groß. Das Auftreten von Korona-Entladungen hängt in großem Maße von dem Spannungsunterschied zwischen den Punkten, angedeutet durch die punktierte Linie 10, ab. Dieser Spannungsunterschied ist abhängig von der Kapazität der Kontakte zwischen den beiden Kontaktschichten 4 und 8, wobei der Kontakt durch die zwei gegeneinander liegenden Kontaktschichten 4 und 8 von den Drähten 1 und 5 gebildet wird. Wie bekannt, kann man die Kapazität C von einem Kondensator, gebildet durch zwei auf einen Abstand d voneinander befindlichen Kondensatorplatten mit einer Oberfläche A und einem dazwischen gelegenen Dielektrikum mit dielektrischen Konstanten e = e0 er (ebenfalls für Abstand d) berechnen nach der untenstehenden Gleichung: A d
C = eo er
Die Kapazitätsgröße ist direkt proportional zu den dielektrischen Eigenschaften und indirekt proportional zu dem Abstand d. So wird die Kapazität von einem Kondensator, gebildet durch die Kondensatorplatten mit einer dazwischenliegenden Luftschicht, bestimmt durch die dielektrischen Eigenschaften der Luftschicht (er ~ 1) und dem Abstand zwischen den Kondensatorplatten. Da die elektrische Konstante von Luft klein ist, ist die Kapazität eines derartigen Kondensators ebenfalls relativ sehr beschränkt.
In Fig. 2 ist eine elektrische schematische Darstellung des kapazitiven Kontaktes zwischen den Drähten 1 und 5 aus Zeichnung 1 ersichtlich. Die Isolationsschicht 3 vom Draht 1 wird schematisch dargestellt durch einen Kondensator 12 mit einer Kapazität C12 und die Kontaktschicht 4 wird schematisch dargestellt durch einen Kondensator 13 mit Kapazität Cι3. Auf gleiche Weise wird die Isolationsschicht 7 von Draht 5 schematisch dargestellt durch einen Kondensator 16 mit Kapazität Cι6, und ist die Kontaktschicht 8 dargestellt durch einen Kondensator 15 mit Kapazität Cι5. Ebenfalls wird auch der im Raum zwischen den Kontaktschichten 4 und 8 liegende Kondensator 14 mit Kapazität C14 schematisch dargestellt.
Zusammen bilden die Kondensatoren in der schematischen Wiedergabe des kapazitiven Kontaktes ein System von fünf in Serie geschalteten Kondensatoren, nämlich Cι2, C13, Ci4, Cι5, Cι6 (12 bis 16). In diesen in Serie platzierten Kondensatoren ist Kondensator 14 mit Kapazität Cι4 derjenige mit der niedrigsten Leistung und man kann ihn vergleichen mit einem Kondensator bestehend aus zwei Kondensatorplatten (die Kontaktschichten 4 und 8) mit Luft dazwischen.
Wie bekannt, ist die Impedanz eines Kondensators direkt proportional zu 1/C. Nach dem Ohmschen Gesetz besteht bei in Serie geschalteten Kondensatoren über dem Kondensator mit der kleinsten Kapazität der größte Spannungsunterschied, wie in Fig. 2 dargestellt. Deswegen ist der Spannungsunterschied über Kondensator 14 (Fig. 2) der Größte, da die Kapazität Ci4 viel kleiner ist als die Kapazitäten Cι2, Cι3, Cι5 und Cι6 der Kontaktschichten 4 und 8 und der Isolationsschichten 3 und 7 von den Drähten 1 und 5 (Kondensatoren 12, 13, 15 und 16).
Da die Durchschlagsspannung in Luft viel kleiner ist als z.B. in einem Polymer, tritt der elektrische Durchschlag höchstwahrscheinlich zuerst im Luftraum zwischen den Kontaktschichten 4 und 8 auf und nicht im Polymer in den Isolationsschichten 3 und 7 oder den Kontaktschichten 4 und 8. Die Kombination von dem größten vorhandenen Spannungsunterschied und den relativ kleinen Kapazitäten des Kondensators 14 verstärkt die Möglichkeit für einen Durchschlag. Wie schon erwähnt bei Fig. 1, wird der Durchschlag in demjenigen Luftraum auftreten, in welchem der Abstand ungefähr gleich ist wie dmin, was der Abstand ist, bei welchem die Durchschlagsspannung nach der Pashing-Kurve am niedrigsten ist.
Fig. 3 zeigt zwei Drähte, (1, 5) gemäß der Erfindung, wobei zur Vereinfachung für den Leser die Bezeichnungsnummern aus Fig. 1 übernommen worden sind. Hierbei wird darauf aufmerksam gemacht, dass die Fign. 3 und 4 eine Ausführungsform der Erfindung zeigen, im Gegensatz zu Fign. 1 und 2, in denen nur der Stand der Technik dargestellt wird.
Die Drähte 1 und 5 umfassen wiederum jeweils einen leitfähigen Kern 2, 6 mit einer darumliegenden Isolationsschicht 3, 7 und einer um die Isolationsschicht liegenden Kontaktschicht 4, 8 mit dielektrischen Eigenschaften.
Die Kontaktschicht kann z.B. durch ein thermoplastisches Polymer mit den gewünschten dielektrischen Eigenschaften gebildet werden.
Die Kontaktschicht kann auch aus z.B. einem Basismaterial/Grundmaterial mit den gewünschten Schmelzeigenschaften bestehen, mit einer Beimischung oder Füllung eines Materials, um die gewünschten dielektrischen Eigenschaften zu erhalten. So kann z.B. ein thermoplastisches Polymer als Basismaterial dienen, unter Beimischung von Füllstoffen, wie z.B. (evtl. pulverförmige) Metallen wie (Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Belryllium, Zink, Nickel, Eisen, Chrom, Kobalt, Molybden, Zinn oder andere Metalle mit guten elektrischen leitfähigen Eigenschaften), Oxiden (wie Kupferoxide, Aluminiumoxide, Siliciumoxide, Zinkoxide, Bariumoxide, Tantaloxide oder Titanoxide), Nitriden (wie Si3N4), Kohlenstoffen (wie Carbon black, Kohlenstofffaser oder Nanotubes), keramischen Materialien, Salzen, Kunststoffen oder eine Kombination der genannten Materialien.
Mit den richtigen Verhältnissen kann der Fachmann jede gewünschte Kombination von Schmelzeigenschaften und dielektrischen Eigenschaften herstellen.
Wiederum wird durch angrenzende Kontaktschichten 4, 8 von den zwei Drähten 1 und 5 eine kapazitive Kopplung geformt. Die Kontaktschichten sind aber schmelzbar, so dass sie, wie gezeichnet, nach ausreichender Erwärmung eine Schweißstelle 20 ergeben, in der die Kontaktschichten 4 und 8 der Drähte 1 und 5 miteinander verschmolzen worden sind.
Um eine derartige Schweißstelle 20 zu bekommen, ist es wichtig, dass bei dem Erhitzen oder Erwärmen des elektrischen Aufbaues (wie eine Spule) die geschmolzene Kontaktschicht ausreichend fließen kann. Die Schweißstelle kann auf verschiedene Arten zustande kommen oder gefertigt werden. Das Verschmelzen kann stattfinden z.B. durch Erhitzen oder Erwärmen, durch Dissipation von elektrischer Energie, mit anderen Worten durch Zuführung von Strom in die Drähte, Erwärmung in einem Ofen und/oder durch Verklebung durch Lösemittel. Anschließend sind die aneinander angrenzenden Kontaktschichten 4, 8 miteinander verschweißt.
Eine andere Möglichkeit ist z.B., dass nach dem Wickeln von Drähten für die Fertigung von einer oder mehreren Spulen für einen Motor, Generator, Transformator, Dynamo oder einer anderen Einrichtung/Einheit/Baugruppe ein oder mehrere Spulen beinhaltend, das Verschmelzen nach dem Fertigungsprozess durch Wärme stattfindet welche in der Einrichtung durch den Gebrauch der Einrichtung entsteht. Ein Verschmelzen der angrenzenden Kontaktschichten 4, 8 kann demzufolge auch erst bei Inbetriebnahme einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung erfolgen.
Die Schweißstelle 20, dargestellt in Zeichnung 3, bildet einen Kondensator 18 (siehe Fig. 4) in der kapazitiven Kopplung zwischen zwei Drähten. Diese Kapazität ist abhängig von den Dimensionen der Schweißstelle. Eine schmale, kleine Schweißstelle ergibt eine relativ kleine Kapazität. Der Kondensator 18 verläuft parallel zu dem in dem nur noch zum Teil vorhandenen Luftraum befindlichen Kondensator 14.
Die Kapazität der gesamten kapazitiven Kopplung wird am meisten beeinflusst durch die Kapazität des Kondensators 18 der Schweißstelle 20. Eine größere Schweißstelle, als die Schweißstelle 20 in Fig. 3 gezeigt, wird eine viel größere Kapazität ergeben. Die schematische Darstellung der kapazitiven Kopplung, dargestellt in Fig. 3, ist als Ausschnitt dargestellt in Fig.4.
Die Isolationsschichten 3 und 7 sind wiederum repräsentiert durch die Kondensatoren 12 und 16 mit den Kapazitäten Ci2 und Cι6 und die Kontaktschichten 4 und 8 sind wiederum ersetzt durch Kondensatoren 13 und 15 mit Kapazitäten Cι3 und Cι5. Die Kapazität der Schweißstelle 20 und der noch teilweise vorhandene Luftraum werden repräsentiert durch die Kondensatoren 18 und 14 mit den Kapazitäten C18 und Cι4. Die gesamte Kapazität der Kondensatoren 18 und 14 ist gleich der Summe von beiden Kapazitäten, und da die Kapazität Cι8 der Schweißstelle 20 viel größer ist als die Kapazität Cχ4ι ist die gesamte Kapazität relativ groß und vergleichbar mit den Kapazitäten Cι3 und Cι5 der Kondensatoren 13 und 15, wenn die Schweißstelle 20 ausreichend groß ist. Deshalb entsteht eine viel besseren Verteilung des Spannungsunterschiedes über das gesamte bezeichnete System von Kondensatoren wie in Fig. 4 dargestellt; die Spannung wird zu einem großen Teil über die Isolationsschichten 3 und 7 verteilt, in denen die Durchschlagsspannung viel größer ist als in Luft. Nur ein kleiner Spannungsunterschied entsteht über den Kondensator 14. Deshalb tritt im Allgemeinen keine Korona-Entladungen auf.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Kontaktschicht auch eine Klebeschicht ist. Auf diese Weise kann man schon vor dem Verschmelzen der Kontaktschicht eine kapazitive Kopplung mit einer größeren Kapazität erhalten als ohne Klebeschicht.
Das hat insbesondere Vorteile für die Produktion von einer elektrischen Anordnung zum Verkleinern der Luftmenge zwischen den Drähten oder Drahtteilen. Außerdem ist es meistens erwünscht, das Material der Isolationsschicht so zu wählen, dass das Material beim Verschmelzen der Kontaktschicht intakt bleibt. Somit kann die Isolationsschicht aus einem wärmehärtenden Kunststoff hergestellt werden, wie z.B. Polyurethan, Polyester, Polyesterimid, Polyamide-Imide, Polyimid, Epoxy oder Kombinationen davon. Es ist auch möglich, einen thermoplastischen Kunststoff zu wählen, der bei der Schmelztemperatur der Kontaktschicht intakt bleibt. Das Material sollte man so wählen, dass die Schmelz-Anfangstemperatur der Isolationsschicht höher ist als die Schmelztemperatur der Kontaktschicht.
Außerdem sollte beim Auswählen eines geeigneten Materials für das Herstellen der Kontaktschicht auf die Frequenzabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften geachtet werden. So kann es ein Vorteil sein, ein Material mit genügend hohen dielektrischen Konstanten bei Signalfrequenzen > 1 MHz zu wählen, da hauptsächlich die Effekte bei höheren Frequenzen eliminiert werden sollen. Der Fachmann versteht, dass es von Vorteil sein kann, wie bei einem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, eine Vielzahl von Drähten zu nehmen und evtl. zu verseilen, (zu verdrillen), flechten oder parallel nebeneinander zu legen, sodass eine Litze oder ein Kabel entsteht. Eventuell kann eine derartige Litze oder ein Kabel mit einer weiteren Isolierschicht beschichtet werden, um die Litze oder das Kabel gegen äußere Einflüsse zu schützen.
Die Herstellung einer derartigen Litze oder Kabels kann während der Herstellung einer elektrischen Einrichtung stattfinden, und im Nachgang kann man die Kontaktschichten durch Erwärmung des gesamten elektrischen Aufbaues verschmelzen.
Dieses Erwärmen kann stattfinden im Betrieb der Einrichtung oder Anordnung, z.B. durch thermische Dissipation von elektrischer Energie in der Kontaktschicht.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele, welche den Schutzumfang, wie er aus den beigefügten Ansprüchen hervorgeht, nicht einschränken sollen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Anordnung, mit einer Vielzahl von einander angrenzenden Drähten (1, 5), wobei jeder Draht (1, 5) aus einem leitenden Kern (2,
6) besteht, umhüllt durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht, und diese mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3,
7) eines jeden Drahtes durch eine Kontaktschicht (4, 8) umschlossen ist, wobei die Kontaktschicht (4, 8) aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht (4, 8) von mindestens zwei aneinandergrenzenden Drähten (1, 5) von ihrer Struktur her eine wechselseitige kapazitive Kopplung bildet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kontaktschicht (4, 8) schmelzbar ist, um im verschmolzenen Zustand die Kapazität der kapazitiven Kopplung zu erhöhen.
2. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl angrenzender Drähte (1, 5) durch angrenzende Drahtteile von einer durch einen gewickelten Draht geformten Spule gebildet wird.
3. Elektrische Anordnung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4, 8) eine Klebeschicht ist.
4. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4, 8) aus Kunststoffmaterial besteht.
5. Elektrische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Polymer ist.
6. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4, 8) mindestens eine Füllung oder Beimischung enthält, um die kapazitiven Eigenschaften der Kontaktschicht (4, 8) zu erhöhen.
7. Elektrische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus einem Material besteht, das die kapazitiven Eigenschaften der Kontaktschicht (4, 8) erhöht, so dass im Gebrauch nach dem Verschmelzen der Kontaktschichten (4, 8) die kapazitiven Kopplungen bei einer Spannungsfrequenz > 1 MHz genügend groß sind, um das Auftreten einer Korona-Entladung zu verhindern.
8. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus einem pulverförmigen Material besteht.
9. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus Fasern besteht.
10. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus einem Metall besteht.
11. Elektrische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Beryllium, Zink, Nickel, Eisen, Chrom, Kobalt, Molybdän und Zinn.
12. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus einem Oxid besteht.
13. Elektrische Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Kupferoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Bariumoxid, Tantaloxid oder Titanoxid.
14. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung aus Nitriden beispielsweise Si3N4 besteht.
15. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung oder Beimischung mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Kohlenstoff (wie Carbon black, Kohlenfaser oder Nanotubes), keramisches Material, Salz, Kunststoff.
16. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht aus einem wärmehärtenden Polymer besteht.
17. Elektrische Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmehärtende Polymer mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: Polyurethan, Polyester, Polyesterimid, Polyamide- Imide, Polyimid, Epoxydherz oder Kombinationen davon.
18. Elektrische Anordnung nach Anspruch 5, und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3, 7) aus thermoplastischem Material besteht, bei dem die Schmelz-Anfangstemperatur der Isolationsschicht (3, 7) höher ist als die Schmelztemperatur der Kontaktschicht (4, 8).
19. Draht zur Verwendung in einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen leitenden Kern (2, 6) umhüllt durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (3, 7) und diese Schicht durch eine Kontaktschicht (4, 8) umschlossen wird, wobei die Kontaktschicht (4, 8) aus einem Material mit dielektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Kontaktschicht (4, 8) von mindestens zwei angrenzenden Drähten (1, 5) von ihrer Struktur her wechselseitig kapazitive Verbindungen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4, 8) schmelzbar ist und dadurch im verschmolzenen Zustand die Kapazität der kapazitiven Kopplung vergrößert.
20. Kabel oder Litze, umfassend eine Vielzahl von aneinander angrenzenden Drähten gemäß Anspruch 19.
21. Elektrische Einrichtung, insbesondere eine Einrichtung gehörend zur Gruppe der Motoren, Generatoren, Transformatoren und Drosseleinrichtungen, sowie andere Einrichtungen mit einer oder mehreren Spulen, worin eine Vielzahl von angrenzenden aneinander liegenden Drahtteilen von mindestens einem um einen oder mehrere Spulenkerne herum gewickelten Draht (1, 5) gemäß Anspruch 19 einen oder mehrere Spulen bilden.
22. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung oder Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend die Schritte: das angrenzende Aneinander-Positionieren von einer Vielzahl von Drähten (1, 5) in einer Anordnung, wobei die Drähte (1, 5) aus einem leitfähigen Kern (2, 6) mit mindestens einer darum liegenden Isolationsschicht (3, 7) und einer um die mindestens eine Isolationsschicht (3, 7) liegende Kontaktschicht (4, 8) bestehen, wobei , die Kontaktschicht (4, 8) durch ein Material mit dielektrischen Eigenschaften gebildet wird, wobei die Kontaktschicht (4, 8) eingerichtet ist, um zusammen mit den Kontaktschichten (4, 8) von angrenzenden Drähten (1, 5) eine kapazitive Kopplung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Arbeitsgang des Verschmelzens der Kontaktschichten (4, 8) von mindestens zwei angrenzenden Drähten (1, 5) aus einer Vielzahl von Drähten (1, 5) die Kapazität der kapazitiven Kopplung in der Anordnung vergrößert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die angrenzend aneinander positionierte Vielzahl von Drähten (1, 5), die um einen Spulenkern herum oder in mindestens einen Spulkern hinein mit einem oder mehreren Drähten (1, 5) gewickelt sind, für das Fertigen einer Spule oder mehreren völlig oder teilweise ineinander gewickelten Spulen verwendet wird, wobei die Vielzahl von Drähten (1, 5) durch unterschiedlich aneinander angrenzenden auf einer oder mehreren Spulen gelegenen Drahtteilen eines oder mehrerer Drähte (1, 5) gebildet wird.
24. Verfahren nach einer oder beiden der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen der Kontaktschichten durch eine der folgenden Methoden erreicht wird : durch Erwärmung durch Dissipation von den Spulen zugeführter elektrischer Energie, durch Erwärmung in einem Ofen und/oder durch Verklebung aufgrund von Lösungsmitteln.
25. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen der Kontaktschichten (4, 8) mittels Erwärmung durch Dissipation von den Spulen zugeführter elektrischer Energie durch den Betrieb der elektrischen Anordnung erreicht wird.
PCT/EP2004/005741 2003-05-30 2004-05-27 Elektrische anordnung, elektrische einrichtung, kabel und draht, sowie die verfahren zum herstellen einer elektrischen anordnung WO2004107371A1 (de)

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NL1023569A NL1023569C2 (nl) 2003-05-30 2003-05-30 Elektrisch samenstel, elektrische inrichting, kabel en draad voor het tegengaan van doorslag, alsmede werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

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PCT/EP2004/005741 WO2004107371A1 (de) 2003-05-30 2004-05-27 Elektrische anordnung, elektrische einrichtung, kabel und draht, sowie die verfahren zum herstellen einer elektrischen anordnung

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