CH659910A5 - Luftdrosselspule und verfahren zu ihrer herstellung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftdrosselspule, wie sie vor allem in Hochspannungsanlagen verwendet werden sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Luftdrosselspulen enthalten eine schraubenlinienförmige Wicklung oder mehrere parallelgeschaltete schraubenlinienförmige Wicklungen aus einem Spulenleiter, die durch Aufwickeln oder Biegen desselben zu einer Schraubenlinie hergestellt werden, wobei Massnahmen zur gegenseitigen Isolierung aufeinanderfolgender Windungen einer Wicklung getroffen werden.
Drosselspulen wirken raschen Änderungen der Stromstärke entgegen und werden zu verschiedenen Zwecken verwendet, z.B. als Trägerfrequenzsperren, als Kurzschlussdrosselspulen zur Strombegrenzung, als Filterdrosselspulen in Schwingkreisen, als Stromanstiegs- und Glättungsdrosselspulen usw.
Es ist eine Luftdrosselspule gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt (DE-OS 2 218 018) mit einer Wicklung, bei welcher der Spulenleiter von isolierenden Bändern umhüllt und benachbarte Wicklungen jeweils miteinander verklebt sind. Derartige Luftdrosselspulen zeichen sich durch hohe mechanische Festigkeit und Kompaktheit aus, ermöglichen aber nur axiale Luftströmung durch die Spule, was die Kühlung der oberen Teile insbesondere von inneren Wicklungen mehrlagiger Luftdrosselspulen beeinträchtigt, ausserdem kann das von der Spule erzeugte Magnetfeld dem Spulenlenleiter nicht ausweichen und ruft in demselben Wirbelströme hervor, die ihn zusätzlich erwärmen.
Da die Temperatur des Spulenleiters unterhalb eines gewissen Grenzwertes bleiben soll, muss sein Querschnitt um so gröss
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ser sein, je weniger effizient die Kühlung ist bzw. je mehr zusätzliche Faktoren zu seiner Erwärmung beitragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei gattungsgemässen Luftdrosselspulen die Kühlung zu verbessern und die Wirbelstrombildung wesentlich zu reduzieren sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung erfindungsgemässer Drosselspulen anzugeben.
Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft eine Luftdrosselspule, bei der zusätzlich zur axialen Luftströmung auch noch radiale Luftströmung durch den jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen durch Beabstandung derselben gebildeten Luftspalt auftritt, wodurch die Kühlung besonders des oberen Teils der Luftdrosselspule wesentlich verbessert wird. Besonders stark wirkt sich diese Verbesserung der Kühlung bei inneren Wicklungen mehrlagiger Drosselspulen aus. Wegen der hohen mechanischen Belastungen, die bei Kurzschlüssen auftreten, muss eine Luftdrosselspule bezüglich Festigkeit und Schwingungseigenschaften hohen Anforderungen genügen, die bei der erfindungsgemässen Luftdrosselspule trotz der Verwendung eines Spulenleiters von verhältnismässig geringer mechanischer Festigkeit dank einer Vorspannung in axialer Richtung erfüllt werden.
Es ist eine Luftdrosselspule mit beabstandeten Windungen bekannt (Publikation 231.1, 2. Auflage vom 4.1978 der Firma Haefely & Cie. AG), bei welcher als Spulenleiter ein massiver Leiter zum Einsatz kommt. Dadurch sind ebenfalls neben guter Kühlung und Vermeidung von Wirbelströmen die erforderlichen mechanischen Eigenschaften gewährleistet. Jedoch ist der massive Leiter wesentlich schwieriger zu verarbeiten, da er nicht einfach gewickelt werden kann, sondern z.B. mittels einer 3-Rollen-Biegeeinrichtung gebogen werden muss. Zudem kann er mit vertretbarem Aufwand kaum präzis genug für einen genauen Abgleich der Induktivitäten parallel geschalterer Wicklungen, wie er für eine gleichmässige Aufteilung des Stromes auf dieselben nötig ist, geformt werden und ist deshalb zum Aufbau mehrlagiger Spulen kaum geeignet. Das bedeutet, dass nur gattungsgemässe Luftdrosselspulen, neben den sonstigen Vorteilen mehrlagiger Spulen wie Kompaktheit bei hoher Leistung, eine volle Ausnutzung der radialen Luftströmung, die sich, wie erwähnt, vor allem bei den inneren Wicklungen mehrlagiger Spulen auswirkt, bieten können.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass aufgrund der verbesserten Kühlung der Querschnitt des Spulenleiters geringer gehalten werden kann und dadurch Material und Gewicht eingespart werden und ausserdem eine Isolierung der Windungen wegen ihrer Beabstandung entfallen kann bei gleichzeitiger Wahrung der Vorteile gattungsgemässer Luftdrosselspulen wie Einfachheit der Herstellung, Möglichkeit genauen Abgleichs und damit der Mehrlagigkeit. Zugleich wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemässen Luftdrosselspule angegeben, das einfach auszuführen sowie in einzelnen Verfahrensschritten vollständig automatisierbar und daher sehr kostengünstig ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsge-mässe Drosselspule;
Fig. 2 einen Querschnitt (längs II-II in Fig. 1) durch die selbe Drosselspule;
Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1, entsprechend dem dort gestrichelt eingezeichneten Rechteck III, wobei insbesondere die dort aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassenen Beabstandungsmittel dargestellt sind und das Verspannband 9a weggelassen ist;
Fig. 4 anhand eines Querschnitts durch die Randwindungen einer erfindungsgemässen Luftdrosselspule die Verankerung fakultativer zusätzlicher Verspannbänder, an der in den Fig. 1 - 3 dargestellten Drosselspule;
Fig. 5 einen weiteren, schematisch gezeichneten axialen Längsschnitt, anhand dessen das Prinzip der Kühlung der in den vorstehenden Figuren dargestellten Drosselspule verdeutlicht wird, und
Fig. 6 anhand eines schematischen Querschnitts durch einen Teil einer Wicklung das Anbringen von Distanzierungsbändern bei der Herstellung der in Fig. 1 - 3 dargestellten Drosselspule.
In mehreren Figuren dargestellte Teile sind dort jeweils gleich bezeichnet.
In den Figuren ist eine Luftdrosselspule dargestellt, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau drei aus Drahtseil annähernd quadratischen Querschnitts bestehende zylindrische Wicklungen la, b, c enthält, welche verschiedene Radien aufweisen und mit Abstand koaxial ineinander verschachtelt sind. Am oberen und am unteren Ende der Wicklungen la, b, c sind ein oberer Tragstern 2a und ein unterer Tragstern 2b befestigt, die aus Metall bestehen, und mit denen die Enden der Wicklungen la, b, c elektrisch leitend verbunden sind. Vorstehende Teile an den Tragsternen 2a, b dienen als elektrische Anschlüsse 3a, b. Die Wicklungen la, b, c sind durch äussere Distanzierungsstäbe 4a, b, c, d, e, f, g, h und innere Distanzierungsbänder 5a, b, c, d,
e, f, g, h (alle in Fig. 1 nicht dargestellt), welche aus isolierenden Material, z.B. faserverstärktem Kunststoff, bestehen, voneinander beabstandet.
Erfindungsgemäss sind aufeinanderfolgende Windungen der einzelnen Wicklungen la, b, c jeweils durch mehrere über den Umfang der Windungen verteilte Abstandhalter, welche vorzugsweise durch jeweils zwischen aufeinanderfolgende Windungen 6a, b, c ... eingeschlaufte Abschnitte von mehreren über den Umfang der jeweiligen Wicklung verteilten, an deren Aussenseite anliegenden und im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden isolierenden Distanzierungsbändern 7a, b, ... oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern gebildet sind, beabstandet und bilden zwischen sich Luftspalte 8a, b, c. Die Luftspalte 8a, b, c ermöglichen die Ausbildung eines radialen Kühlluftstroms, welche die Kühlung insbesondere der inneren Wicklungen lb, c verbessert. Die Breite der Luftspalte 8a, b, c wird jeweils durch die Dicke der jeweiligen Distanzierungsbänder 7a, b, ... bzw. Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern festgelegt und kann über einen weiten Bereich variiert werden. Als Material für die Distanzierungsbänder hat sich besonders Mischgewebe mit hohem Glasfaseranteil bewährt, da es sehr fest und nur begrenzt kompressibel ist, wodurch eine genaue Einstellung der Breite des Luftspalts möglich ist.
Ausserdem ist die Luftdrosselspule in axialer Richtung vorgespannt, wobei sich die Stärke der Vorspannung nach mechanischen Parametern wie etwa der Festigkeit der Spulenleiter und den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen richtet. Für die hier besonders ins Auge gefassten Anwendungsbereiche wird sie im allgemeinen über 4t/Wicklung, vorzugsweise zwischen 6 und 8t/Wicklung betragen. Die Vorspannung wird durch zwischen die Tragsterne 2a, b gespannte Verspannbänder 9a, b, c, d, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, aufrechterhalten.
Um eine gleichmässige Verteilung der Vorspannung zu erreichen, kann es, insbesondere bei Drosselspulen grossen Durchmessers, von Vorteil sein, weitere Verspannbänder anzubringen. Zu diesem Zweck kann man an mehreren Stellen des Ura-fanges der Drosselspule an deren entgegengesetzten Enden Brücken 10, z.B. aus faserverstärktem Kunstharz, anbringen, welche sich in radialer Richtung erstrecken und auf die Randwindungen der Wicklungen la, b, c abgestützt sind und über je zwei gegenüberliegende Brücken 10 in den Zwischenräumen zwischen den Wicklungen la, b, c weitere Verspannbänder 9e,
f, ... spannen (Fig. 4). Diese Art der Anbringung von Ver5
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spannbändern ist natürlich auch bei Drosselspulen ohne Tragsterne möglich. Durch die Verspannung verbessern sich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere das Schwingungsverhalten, der Spule wesentlich. Diese Wirkung dürfte mindestens zum Teil darauf beruhen, dass insbesondere der die Spule in axialer Richtung zusammendrückenden Kraft, wie sie im Kurzschlussfall einwirkt, schon bei geringfügiger Verformung der Drosselspule eine starke elastische Gegenkraft entgegenwirkt, während sich eine solche bei nicht vorgespannter Drosselspule gemäss dem Hooke'schen Gesetz erst proportional zur Verformung aufbauen würde.
Weiters weist die Luftdrosselspule einen vorzugsweise scheibenförmig ausgebildeten und auf der Höhe des unteren Spulenendes liegenden Schirm 11 auf, welcher mit dem unteren Rand der innersten Wicklung lc einen umlaufenden Spalt 12 von etwa 3 mm Breite bildet, der nur durch die Ausnehmungen 13a, b, c, d für die Bänder 9a, b, c, d unterbrochen ist. Der Schirm besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Epoxyharz. Es hat sich herausgestellt, dass die Anbringung des Schirms 11 die Kühlung der Drosselspule wesentlich verbessert. Insbesondere kann die im oberen Spulenbereich auftretende maximale Übertemperatur (hot spot) durch diese Massnahme um 20-30% gesenkt werden. Die Erklärung für dieses Phänomen ist wohl darin zu sehen, dass durch das Aufsteigen der durch die Spule erwärmten Luft im Spuleninneren durch den Spalt 12 kalte Luft angesaugt wird und eine laminare Strömung längs der inneren Begrenzungsfläche der innersten Wicklung lc entsteht. Durch die Strömung entsteht dort gemäss der Bernoullischen Gleichung ein Unterdruck und es wird weitere, durch die Luftspalte 8a, b, c zwischen den Windungen der Wicklungen la, b, c strömende Kaltluft angesaugt. Der Verlauf des Kühlluftstromes ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.
Durch Anbringung von Vogelschutzgittern oder eines z.B. dem Schirm 12 gleichenden Deckels'am oberen Ende der Spule, wie das bei bestimmten Einsatzbedingungen erforderlich ist, wird dieser Effekt nicht nennenswert beeinträchtigt.
Im folgenden wird ein nur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung einer Luftdrosselspule darstellendes Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Drosselspule angegeben.
Erst wird auf einen zylindrischen Wickeldorn die innerste Wicklung lc aus Drahtseil annähernd quadratischen Querschnitts schraubenlinienförmig gewickelt.
Erfindungsgemäss erfolgt das Wickeln derart, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen (z.B. Windungen 6a, b) ein Luftspalt 8c frei bleibt.
Nach Fertigstellung der Wicklung lc werden über den Umfang derselben verteilt nacheinander mehrere Distanzierungsbänder 7a, b, ... angebracht, indem jeweils ein Distanzierungsband 7a, b, ... an einem Ende der Wicklung lc, vorzugsweise mit einer Heftklammer, fixiert wird und in axialer Richtung zum entgegengesetzten Ende der Wicklung lc hin vorrückend mittels eines spachtelartigen Einschiebewerkzeugs 14 in die den Luftspalt 8c bildenden Zwischenräume zwischen den Windungen 6a, b, ... derart eingeschlauft wird, dass das Distanzierungsband 7a, b, ... jeweils an der Aussenseite jeder Windung 6a, b, ... anliegt und indem dasselbe nach Erreichen des gegenüberliegenden Endes der Wicklung lc dort ebenfalls fixiert wird.
Das Einschlaufen von Distanzierungsbändern 7a, b, ... ist in Fig. 6 dargestellt, wobei dort die bei grosser Breite des Luftspalts 8 vorteilhafte Verwendung einer Gruppe von in diesem Fall zwei parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern 7a, 7a' statt eines einzigen Distanzierungsbandes 7a dargestellt ist.
Das Anbringen der Distanzierungsbänder in der eben beschriebenen Weise, welches sich bei den Windungen lb, la in gleicher Weise wiederholt, kann vollständig automatisiert ausgeführt werden.
Nach Fertigstellung der innersten Wicklung lc einschliesslich des Anbringens der Distanzierungsbänder werden an derselben die inneren Distanzierungsstäbe 5a - h angebracht und über dieselben die mittlere Wicklung lb gewickelt und mit Distanzierungsbändern versehen. Dabei ist auf eine sorgfältige Regelung des Zugs, unter dem das Drahtseil während des Wicklungvor-ganges steht, zu achten, damit eine gleichmässige Ausbildung der Wicklung lb erreicht wird und insbesondere keine Knickstellen des Spulenleiters an den Distanzierungsstäben 5a - h auftreten.
Nach Anbringen der äusseren Distanzierungsstäbe 4a - h wird die äussere Wicklung la in zur Herstellung der mittleren Wicklung lb völlig analoger Weise hergestellt.
Anschliessend wird die fertig gewickelte und mit allen Distanzierungsbändern versehene Drosselspule in axialer Richtung gepresst und mittels Kistenbändern provisorisch fixiert. Das Pressen wird vorzugsweise sektorenweise durchgeführt, da sich dadurch die aufzuwendenden Kräfte wesentlich verringern.
Nach der provisorischen Fixierung wird die Drosselspule vom Wickeldorn abgenommen, dann werden der Schirm 11 und die Tragsterne 2a, b montiert, anschliessend die ganze Drosselspule in Epoxyharz getaucht und dann letzteres durch Erhitzen der Drosselspule ausgehärtet. Das Tauchen in Epoxyharz dient dem Korrosionsschutz und vor allem der Imprägnierung der Distanzierungsbänder, welche sonst Wasser aufnehmen und sich dadurch in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften verändern könnten. Es wäre natürlich auch möglich, von vornherein bereits imprägnierte Bänder zu verwenden.
Nach dem Aushärten des Epoxyharzes werden die Verspannbänder 9a, b, ... aus glasfaserverstärktem Kunststoff angebracht und zur Herstellung der Vorspannung derart angezogen, dass sie sich um 5 - 10 %o dehnen. Anschliessend werden die Kistenbänder entfernt.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Axialsymmetrische Luftdrosselspule mit einer Wicklung oder mehreren unterschiedliche Radien aufweisenden und koaxial mit Abstand ineinander verschachtelten Wicklungen (la, b, c) aus Drahtseil, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Windungen (6a, b, ...) einer Wicklung jeweils durch mehrere über den Umfang der Windungen verteilte isolierende Abstandhalter (7a, b, ...) beabstandet sind und zwischen sich einen Luftspalt (8a; 8b; 8c) bilden und dass sie in axialer Richtung vorgespannt ist.
2. Luftdrosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtseil einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist und der Luftspalt (8a, b, c) jeweils zwischen zwei parallelen Oberflächen desselben gebildet ist und dass die Abstandhalter durch jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgende Windungen (6a, b, ...) eingeschlaufte Abschnitte von mehreren über den Umfang der jeweiligen Wicklung verteilten, an deren Aussenseite anliegenden und im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden isolierenden Distanzierungsbändern (7a, b, ...) oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern gebildet sind.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Luftdrosselspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzierungsbänder (7a, b, ...) aus einem Mischgewebe mit einem Glasfaseranteil von mindestens 70% bestehen.
4. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung mindestens 4t/ Wicklung beträgt und vorzugsweise zwischen 6 und St/Wicklung liegt.
5. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit zwei an den entgegengesetzten Enden derselben montierten Tragsternen (2a, b), dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung der Vorspannung Verspannbänder (9a, b, ...) aus glasfaserverstärktem Kunststoff zwischen die Tragsterne (2a, b) gespannt sind.
6. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit mehreren koaxial mit Abstand ineinander verschachtelten Wicklungen (la, b, c), dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung der Vorspannung Verspannbänder (9e, f, ...), vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, jeweils über zwei an den entgegengesetzten Enden der Luftdrosselspule angeordnete Brücken (10) gespannt sind, welche sich in radialer Richtung erstrecken und auf mindestens zwei Wicklungen abgestützt sind.
7. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zylindrischer innerster Wicklung (lc) und vertikal ausgerichteter Spulenachse, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schirm
8. Luftdrosselspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Schirms (11) auf der Höhe des unteren Randes der innersten Wicklung (lc) verläuft.
9. Luftdrosselspule nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des umlaufenden Spalts (12) höchstens 15 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm liegt.
10. Luftdrosselspule nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (11) aus faserverstärktem Epoxyharz besteht.
11. Verfahren zur Herstellung einer Luftdrosselspule gemäss Anspruch 2, bei welchem die eine Wicklung bzw. die mehreren koaxialen Wicklungen (la, b, c) aus einem Drahtseil schraubenlinienförmig gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtseil annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist und das Wickeln jeweils derart erfolgt, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen (6a, b, ...) einer Wicklung jeweils ein Luftspalt (8) frei bleibt und dass nach Fertigstellung einer Wicklung jeweils über den Umfang derselben verteilt nacheinander mehrere Distanzierungsbänder (7a, b, ...) oder Gruppen von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern (7a + 7a', ...) angebracht werden, indem jeweils ein Distanzierungsband (7a; 7b; ...) oder eine Gruppe von parallelen aufeinanderliegenden Distanzierungsbändern (7a + 7a', ...) an einem Ende der Wicklung fixiert und in axialer Richtung zum entgegengesetzten Ende der Wicklung hin vorrückend mittels eines spachtelartigen Instruments (14) in den Luftspalt (8) derart eingeschlauft wird, dass das Distanzierungsband (7a; 7b; ...) bzw. die Gruppe von Distanzierungsbändern (7a + 7a' ; ...) an der Aussenseite jeder Windung (6a, b, ...) anliegt und dass dasselbe bzw. dieselbe nach Erreichen des gegenüberliegenden Endes der Wicklung dort ebenfalls fixiert wird.
(11) aufweist, dessen Rand mit der inneren Begrenzungsfläche der innersten Wicklung (lc) einen umlaufenden Spalt (12) bildet.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren des Distanzierungsbandes (7a; 7b; ...) bzw. der Gruppe von Distanzierungsbändern (7a + 7b' ; ...) jeweils an den Enden jeder Wicklung mittels Heftklammern vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch .11 oder 12 zur Herstellung einer Luftdrosselspule mit mehreren koaxialen, mit Abstand ineinander verschachtelten Wicklungen (la, b, c), bei welchem die innerste Wicklung (lc) auf einen Wickeldorn gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede weitere Wicklung (lb; la) derart hergestellt wird, dass auf der jeweils nächstinneren Wicklung isolierende Distanzierungsstäbe (5a - h; 4a - h) angebracht und die weitere Wicklung (lb; la) über die Distanzierungsstäbe (5a - h; 4a - h) gewickelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Fertigstellung sämtlicher Wicklungen (la, b, c) die Luftdrosselspule in axialer Richtung gepresst und durch geeignete Mittel fixiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Verspannbänder (9a, b, ...) aus glasfaserverstärktem Kunststoff angebracht und derart angezogen werden, dass sie sich um 5-10 %o dehnen.
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