Title:
Elektrische Spulenwicklung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird eine elektrische Spulenwicklung (1) mit einem elektrischen Leiter (3), einem nichtleitenden Element (5) und wenigstens einem ersten Halteelement (7a) angegeben. Der elektrische Leiter (3) und das nichtleitende Element (5) sind parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt. Das erste Halteelement (7a) ist in einem ersten Endbereich (9a) der Spulenwicklung (1) angeordnet, und das nichtleitende Element (5) ist mittels wenigstens eines elastischen Zugelements (11) an dem Halteelement (7a) mechanisch fixiert. Weiterhin wird ein Fehlerstrombegrenzer mit einer solchen Spulenwicklung (1) angegeben.





Inventors:
Krämer, Hans-Peter (91058, Erlangen, DE)
Kuhnert, Anne (90768, Fürth, DE)
Wohlfart, Manfred (91369, Wiesenthau, DE)
Application Number:
DE102016206573A
Publication Date:
10/19/2017
Filing Date:
04/19/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
H01F6/06; H01F41/063; H01H9/02; H01L39/16
Domestic Patent References:
DE102004048646A1N/A2006-04-06
DE10230618A1N/A2004-01-29
Foreign References:
201201157332012-05-10
EP10428202003-03-12
EP20418082010-03-31
EP26934492014-02-05
EP28437212015-03-04
WO2008006689A12008-01-17
JP2000197263A2000-07-14
Claims:
1. Elektrische Spulenwicklung (1) mit einem elektrischen Leiter (3), einem nichtleitenden Element (5) und wenigstens einem ersten Halteelement (7a)
– wobei der elektrische Leiter (3) und das nichtleitende Element (5) parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt sind,
– wobei das erste Halteelement (7a) in einem ersten Endbereich (9a) der Spulenwicklung (1) angeordnet ist und
– wobei das nichtleitende Element (5) mittels wenigstens eines elastischen Zugelements (11) an dem Halteelement (7a) mechanisch fixiert ist.

2. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 1,
– bei der sowohl der elektrische Leiter (3) als auch das nichtleitende Element (5) bandförmig sind,
– und wobei die Spulenwicklung (1) als Flachspule mit übereinanderliegenden Lagen der bandförmigen Elemente ausgebildet ist.

3. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der elektrische Leiter (3) ein supraleitendes Leitermaterial umfasst.

4. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Endbereich (9a) radial außenliegend angeordnet ist.

5. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Halteelement (7a) als elektrisches Kontaktelement ausgebildet ist, mit dem der elektrische Leiter (3) elektrisch leitend verbunden ist.

6. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) als Abstandshalter zwischen einzelnen, übereinanderliegenden Windungen des elektrischen Leiters (3) ausgebildet ist.

7. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 6, bei welcher das nichtleitende Element (5) einen oder mehrere Hohlräume (13) aufweist, welche von einem fluiden Kühlmittel (15) durchströmbar sind.

8. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher das nichtleitende Element (5) ein Wellband (17) umfasst.

9. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet ist.

10. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das nichtleitende Element (5) breiter als der elektrische Leiter (3) ausgebildet ist.

11. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 10, bei der das nichtleitende Element (5) in einem auf seine Breite bezogen innenliegenden Bereich (19) eine Aussparung (21) oder eine Reihe von Aussparungen (21) aufweist, in der der elektrische Leiter (3) geführt ist.

12. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) aus mehreren Teilen (17, 18) aufgebaut ist.

13. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das elastische Zugelement (11) eine Zugkraft von wenigstens 5 N auf das nichtleitende Element (5) ausüben kann.

14. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der elektrische Leiter (3) mindestens zwei Leiterzweige (3a, 3b) aufweist, und wobei zumindest zwei in der Wicklung benachbart liegende Leiterzweige (3a, 3b) für gegenläufige Stromflussrichtungen (Ia, Ib) ausgestaltet sind.

15. Fehlerstrombegrenzer mit einer elektrischen Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spulenwicklung mit einem elektrischen Leiter, einem nichtleitenden Element und wenigstens einem ersten Halteelement, wobei der elektrische Leiter und das nichtleitende Element parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt sind.

Bei vielen bekannten Spulenwicklungen sind elektrische Leiter im Wechsel mit nichtleitenden Elementen in einer Abfolge von aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt. Dabei isolieren die zwischen den Leiterwindungen liegenden nichtleitenden Elemente die einzelnen Leiterwindungen voneinander. Grundsätzlich kann es sich bei den elektrischen Leitern dabei um supraleitende oder auch um normalleitende Leiterelemente handeln. Bei den supraleitenden Leiterelementen können zusätzlich zu dem supraleitenden Material auch ein oder mehrere normalleitende Leiterbahnen vorhanden sein. Bei herkömmlichen nass gewickelten Spulenwicklungen werden die einzelnen Windungen bereits beim Aufwickeln mit einem Klebe- und/oder Imprägniermittel versehen, und dieses wird nach dem eigentlichen Wicklungsprozess ausgehärtet, so dass ein mechanisch formstabiler Spulenkörper gebildet wird. Auch trocken gewickelte Spulen, das heißt Spulen ohne ein solches Klebe- oder Imprägniermittel, können nach dem Wicklungsprozess vergossen, verklebt oder imprägniert werden, um einen solchen formstabilen Spulenkörper zu erhalten. Es gibt aber auch trocken gewickelte Spulen, bei denen die Windungen nicht, nur teilweise oder nur locker miteinander verbunden werden. Bei dieser Art von trockenen Spulenwicklungen besteht das Risiko, dass sich nach der Wicklung der Spule die einzelnen Windungslagen des elektrischen Leiters und des nichtleitenden Elements nach der Herstellung der Spule gegeneinander verschieben können. Insbesondere können durch den elektrischen Betrieb einer solchen Spulenwicklung oder auch durch Temperaturänderungen bei Abkühlen oder Erwärmen auf eine von der Herstellungstemperatur unterschiedliche Betriebstemperatur Kräfte ausgebildet werden, die die einzelnen Wicklungslagen gegeneinander verschieben können.

Um das Problem des möglichen Verschiebens des elektrischen Leiters und/oder des nichtleitenden Elements aus der fertig gewickelten Spulenwicklung zu lösen, wird bei herkömmlichen Spulenwicklungen typischerweise das nichtleitende Element an den Enden der Spulenwicklung mechanisch fixiert. Beispielsweise kann das nichtleitende Element mit den beiden Kontaktelementen verschraubt werden, die zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Leiters verwendet werden. Hierbei handelt es sich häufig um Kupferblöcke, die in radial innenliegenden und/oder außenliegenden Bereichen der Spulenwicklung angeordnet sind und an den beiden Endbereichen des Leiters elektrisch mit diesem verbunden sind. Wenn Leiter und nichtleitendes Element beide an diesen Kontaktelementen mechanisch fixiert werden, kann ein gegenseitiges Verschieben dieser beiden Elemente manchmal verhindert werden, aber nur solange es nicht zur Einwirkung zusätzlicher Kräfte oder zu einer Ausdehnung oder Schrumpfung dieser Elemente kommt. Problematisch ist es aber vor allem, wenn benachbarte Leiterzweige sich beim Betrieb abstoßen oder wenn Leiter und nichtleitendes Element sich beim Betrieb und/oder bei einer Temperaturveränderung unterschiedlich in der Länge verändern. In diesen Fällen kann es bei der herkömmlichen Fixierung der Wicklungselemente leicht zu einem gegenseitigen Verschieben der unterschiedlichen Elemente kommen. Nachteilig ist dann vor allem, dass dann der kompakte mechanisch stabile Verbund der Spulenwicklung verlorengehen kann. Gerade bei trocken gewickelten und nicht nachträglich vergossenen oder verklebten Flachspulen besteht dann das Problem, dass der Leiter und oder das nichtleitende Element in axialer Richtung, also senkrecht zur Wicklungsebene der Spule, aus der Spulenebene herausrutschen können. Solche Spulen sind dann im Betrieb nicht mechanisch stabil.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulenwicklung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Spulenwicklung zur Verfügung gestellt werden, welche auch ohne Verkleben oder Vergießen mit einem Fixierungsmittel im Betrieb mechanisch stabil ist. Es soll also im Betrieb der Wicklungsverbund erhalten bleiben, ohne dass der elektrische Leiter und das nichtleitende Element gegeneinander verrutschen und ihren mechanischen Halt in der Spulenwicklung verlieren.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spulenwicklung gelöst. Die erfindungsgemäße Spulenwicklung weist wenigstens einen elektrischen Leiter, wenigstens ein nichtleitendes Element und wenigstens ein erstes Halteelement auf. Der elektrische Leiter und das nichtleitende Element sind parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt, wobei das erste Halteelement in einem ersten Endbereich der Spulenwicklung angeordnet ist und wobei das nichtleitende Element mittels wenigstens eines elastischen Zugelements an dem Halteelement mechanisch fixiert ist.

Das elastische Zugelement kann beispielsweise eine Zugfeder oder aber auch ein anderes elastisches Element sein, mit dem das nichtleitende Element unter Ausübung einer Zugspannung an dem Halteelement fixiert ist. Beispielsweise kann es sich um ein Gummiband oder ein Element aus einem ähnlich elastischen Material wie Gummi handeln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elastischen Fixierung des nichtleitenden Elements an dem Halteelement wird erreicht, dass das nichtleitende Element getrennt von dem elektrischen Leiter unter Spannung gehalten werden kann. Insbesondere ist die Spulenwicklung also so ausgestaltet, dass der elektrische Leiter mechanisch von der Zugkraft des elastischen Zugelements entkoppelt ist. Beispielsweise kann der elektrische Leiter starr an dem Haltelement oder auch an einem beliebigen anderen Element mechanisch fixiert sein. Hierdurch wird erreicht, dass das nichtleitende Element getrennt von dem elektrischen Leiter unter mechanischer Spannung gehalten wird. Bei einem Betrieb der Spulenwicklung und/oder bei einer Abkühlung oder auch Erwärmung auf eine Betriebstemperatur kann so erreicht werden, dass auftretende Kräfte abgefedert und differentielle Längenänderungen zwischen elektrischem Leiter und nichtleitendem Element ausgeglichen werden können. So kommt es dann trotz einer Krafteinwirkung nicht zu einer unerwünschten Verschiebung des elektrischen Leiters und/oder des nichtleitenden Elements aus der lokalen Wicklungsebene heraus.

Vorteilhaft bleibt mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der mechanischen Fixierung die Spulenwicklung auch als trockene Spule mechanisch stabil, da das auf Zug gehaltene nichtleitende Element auch den parallel dazu geführten elektrischen Leiter innerhalb der einzelnen Windungen der Wicklung fixiert. Auch in den Endbereichen der Spulenwicklung kommt es nicht zu einem Herausrutschen der leitenden und nichtleitenden Elemente aus der Wicklungsebene, da Längenänderungen durch das elastische Zugelement ausgeglichen werden können und nicht durch eine Verschiebung aus der Wicklungsebene heraus ausgeglichen werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für die äußersten Windungen der Wicklung, also beispielsweise für die radial am weitesten innen liegende und die radial am weitesten außen liegende Wicklung einer Flachspule. Bei einer starren Fixierung von elektrischem Leiter und nichtleitendem Element kommt es gerade in diesen Endbereichen besonders leicht zu einem Verrutschen der Wicklungselemente durch deren Längenänderungen oder durch elektrische Abstoßung zwischen den Leiterwindungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor.

So kann bei der elektrischen Spulenwicklung sowohl der elektrische Leiter als auch das nichtleitende Element bandförmig sein. Hierbei kann die Spulenwicklung als Flachspule mit übereinanderliegenden Lagen der bandförmigen Elemente ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Spule eine feste Wicklungsebene aufweisen, innerhalb derer alle Windungen gewickelt sind. Der bandförmige Leiter und das bandförmige nichtleitende Element können dann so innerhalb dieser Wicklungsebene gewickelt sein, dass die Hauptflächen der Bänder jeweils senkrecht zur Wicklungsebene liegen. Die bandförmigen Elemente der aufeinanderfolgenden Windungen können dann jeweils flächig übereinander liegen.

Im vorliegenden Zusammenhang sollen unter den genannten bandförmigen Elementen allerdings nicht nur Flachbänder verstanden werden, sondern die bandförmigen Elemente können auch in Form anderer Geometrien vorliegen: Insbesondere kann das nichtleitende Element auch vorteilhaft in Form eines dreidimensional strukturierten Bandes vorliegen. Eine flache Bandgeometrie ist jedoch ebenfalls möglich und prinzipiell vorteilhaft, sowohl für das nichtleitende Element als auch für den elektrischen Leiter.

Unabhängig von der genauen Ausgestaltung haben Flachspulen mit bandförmigem elektrischem Leiter und bandförmigem nichtleitendem Element allgemein den Vorteil, dass diese Wicklungselemente radial so übereinanderliegen, dass die Elemente in den einzelnen aufeinanderfolgenden Windungen sich gegenseitig mechanisch fixieren und die gesamte Spulenwicklung auch in trockener Form mechanisch stabil ist. Durch die erfindungsgemäße Zugspannung auf dem nichtleitenden Element wird dann eine besonders gute mechanische Stabilität erreicht.

Vorteilhaft kann der elektrische Leiter ein supraleitendes Material umfassen. Insbesondere kann es sich um einen supraleitenden Bandleiter handeln, bei dem eine supraleitende Schicht auf einem normalleitenden oder nichtleitenden Substrat aufgebracht ist. Bei dem supraleitenden Material kann es sich um einen Hochtemperatursupraleiter handeln. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.

Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.

Bei Spulenwicklungen mit supraleitenden Leitern ist die mechanische Stabilität von trocken gewickelten Spulen besonders wichtig, da in manchen Fällen ein Verguss oder ein Verkleben der Spule nicht gewünscht ist, beispielsweise um eine offene Struktur zu erhalten, in der der supraleitende Leiter in engem Kontakt mit einem fluiden Kühlmittel stehen kann. So kann leichter eine Kühlung des Supraleiters auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur erreicht werden.

Der erste Endbereich kann vorteilhaft radial außenliegend angeordnet sein. In einem solchen radial außenliegenden Bereich, insbesondere einer Flachspule, ist es besonders wichtig, ein seitliches Verrutschen der Wicklungselemente durch elektrostatische Kräfte oder durch Längenänderungen zu vermeiden, da die außen liegenden Windungen nicht durch weitere Windungen mechanisch gestützt werden und so besonders anfällig für ein seitliches Verschieben sind.

Alternativ kann der erste Endbereich prinzipiell jedoch auch radial innenliegend angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können sowohl ein radial innenliegender Endbereich als auch ein radial außenliegender Endbereich einer Spulenwicklung auf die beschriebene Weise ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann das nichtleitende Element sowohl innen als auch außen mittels eines elastischen Zugelements an einem Halteelement fixiert sein. Diese Fixierung kann vorteilhaft auf beiden Seiten mechanisch von einer Fixierung des elektrischen Leiters entkoppelt sein. Dabei kann radial innen und radial außen jeweils ein separates Halteelement vorliegen, an dem das nichtleitende Element in seinen beiden Endbereichen mechanisch fixiert ist. Es können jedoch auch beide Endbereiche des Leiters und somit beide Halteelemente radial außenliegend sein, wie dies beispielsweise bei Strombegrenzerspulen häufig zu finden ist.

Das Halteelement kann vorteilhaft als elektrisches Kontaktelement ausgebildet sein, mit dem der elektrische Leiter elektrisch leitend verbunden ist. Mit anderen Worten kann der elektrische Leiter mit demselben Halteelement verbunden sein wie das nichtleitende Element. Dabei kann der Leiter starr mit diesem Halteelement mechanisch verbunden sein und ist somit mechanisch entkoppelt von dem elastisch fixierten nichtleitenden Element. Besonders vorteilhaft kann das erste Halteelement ein radial außenliegendes elektrisches Kontaktelement sein. Zusätzlich kann ein zweites Halteelement vorliegen, welches ein radial innenliegendes oder radial außenliegendes Kontaktelement darstellt, und mit welchem das nichtleitende Element in seinem zweiten Endbereich ebenfalls mittels eines elastischen Zugelements fixiert ist. Bei dem wenigstens einen Kontaktelement kann es sich beispielsweise um ein Kupferkontaktstück handeln.

Das nichtleitende Element kann als Abstandshalter zwischen einzelnen, übereinanderliegenden Windungen des elektrischen Leiters ausgebildet sein. Insbesondere kann der hierdurch erreichte Abstand zwischen den aufeinanderliegenden Windungen größer sein als die Dicke des elektrischen Leiters. Der Abstandshalter kann insbesondere ein radialer Abstandshalter zwischen radial übereinanderliegenden Windungen einer Flachspule sein. Besonders vorteilhaft kann hiermit ein radialer Abstand der einzelnen Windungen von wenigstens 1 mm realisiert sein.

Das als Abstandshalter ausgestaltete nichtleitende Element kann einen oder mehrere Hohlräume aufweisen, welche von einem fluiden Kühlmittel durchströmbar sind. Diese Ausgestaltung ist besonders in Verbindung mit einem supraleitenden Leiter vorteilhaft, da dann mit dem Kühlmittel besonders wirksam eine Kühlung auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur bewirkt werden kann. Besonders in supraleitenden Spulenwicklungen ist es allgemein vorteilhaft, die einzelnen Windungen mit einem dazwischen angeordneten Abstandshalter zu beabstanden, um die gebildete Lücke für den Durchfluss von Kühlmittel zu nutzen.

Das nichtleitende Element kann allgemein ein Wellband umfassen. Ein Wellband ist im vorliegenden Zusammenhang ein bandförmiges Element mit einem wellenartigen Profil. Dabei kann es sich prinzipiell um regelmäßige oder unregelmäßige Wellen handeln. Es kann sich um sinusartige Wellen oder auch um nur annähernd wellenförmige Anordnungen von Polygonzügen handeln. Wesentlich ist nur, dass das Wellband eine Abfolge von in Längsrichtung aufeinander folgenden Wellenbergen und Wellentälern aufweist. Über eine solche Struktur kann erreicht werden, dass das nichtleitende Element als Abstandshalter zwischen den benachbarten Windungen des elektrischen Leiters wirkt. Wahlweise kann dabei das nichtleitende Element aus einem Wellband bestehen, oder aber es kann zusätzlich zu dem Wellband ein oder mehrere weitere Bestandteile umfassen. Beispielsweise kann das nichtleitende Element durch Kombination von wenigstens einem solchen Wellband mit einem oder mehreren Flachbändern gebildet sein. Dabei können die einzelnen Bestandteile entweder lose übereinandergelegt oder auch fest mechanisch verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen der einzelnen Bestandteile.

Das nichtleitende Element kann zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet sein. Kunststoffe eignen sich allgemein gut zur elektrischen Isolation und sind gleichzeitig verformbar genug, um in Form dünner Bänder in eine Spulenwicklung eingewickelt zu werden. Zur elektrischen Isolation zwischen den benachbarten Windungen des elektrischen Leiters können beispielsweise Flachbänder aus Kunststoffen wie beispielsweise Polyester, Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid (PI) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), insbesondere Hostaphan, Kapton oder Teflon, zum Einsatz kommen. Auch für ein als Abstandshalter wirkendes nichtleitendes Element eigenen sich Kunststoffe besonders. Für den Einsatz in Verbindung mit supraleitenden elektrischen Leitern ist es allgemein besonders vorteilhaft, wenn der Kunststoff für den Einsatz in einem kryogenen Temperaturbereich unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters ausgelegt ist. Insbesondere kann der Kunststoff dazu geeignet sein, von dem für die Kühlung eingesetzten Kühlfluid, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Helium oder flüssigem Neon, umspült zu werden, ohne seine mechanische Festigkeit zu verlieren.

Das nichtleitende Element kann breiter als der elektrische Leiter ausgebildet sein. Unter der Breite dieser Elemente soll allgemein eine Ausdehnung in einer Raumrichtung senkrecht zu ihrer Längsausdehnung verstanden werden, insbesondere die größte Ausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung. Vor allem bei bandförmigen Wicklungselementen ist es vorteilhaft, wenn das nichtleitende Element breiter ist als der elektrische Leiter, da dann der elektrische Leiter zwischen den umgebenden Windungen des nichtleitenden Elements so eingebettet sein kann, dass er in einer axialen Richtung der Spulenwicklung vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt wird. Ein weiterer Vorteil eines im Vergleich zum Leiter breiteren nichtleitenden Elements ist, dass die Strecke für einen möglichen elektrischen Überschlag von einer Windung des Leiters zur nächsten deutlich verlängert wird. Auf diese Weise sinkt die Gefahr für unerwünschte elektrische Überschläge zwischen den Windungen der Spulenwicklung.

Das derartig breit ausgelegte nichtleitende Element kann in einem auf seine Breite bezogen innenliegenden Bereich eine Aussparung oder eine Reihe von Aussparungen aufweisen, in denen der elektrische Leiter geführt ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist dann der Leiter – insbesondere bei der Geometrie einer Flachspule – nicht nur radial zwischen den benachbarten Windungen des nichtleitenden Elements eingebettet, sondern wird auch in axialer Richtung der Spulenwicklung zwischen Teilen des nichtleitenden Elements gehalten. Durch eine solche Anordnung wird die mechanische Stabilität der gesamten Wicklung erhöht, denn der elektrische Leiter wird von dem nichtleitenden Element festgehalten und ein seitliches Verrutschen in axialer Richtung wird vermieden, solange das nichtleitende Element unter Spannung bleibt. Eine solche Zugspannung wird aber gerade durch die erfindungsgemäße mechanische Fixierung gewährleistet.

Allgemein kann das nichtleitende Element aus mehreren Teilen aufgebaut sein. Insbesondere kann wenigstens ein gewelltes nichtleitendes Band mit ein oder mehreren flachen nichtleitenden Bändern kombiniert sein. Insbesondere bei einer Ausführungsform, bei denen das nichtleitende Element zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet ist, können kunststoffhaltige Teilelemente durch thermisches Verschweißen abschnittsweise miteinander verbunden sein, um eine übergeordnete dreidimensionale Struktur auszubilden. So kann auf besonders einfache Weise ein Abstandshalter für die Windungen des elektrischen Leiters zur Verfügung gestellt werden.

Das elastische Zugelement kann allgemein so ausgestaltet sein, dass es eine Zugkraft von wenigstens 5 N auf das nichtleitende Element ausüben kann. Diese Zugkraft kann insbesondere entlang einer Längsrichtung des nichtleitenden Elements auf dieses einwirken. Bei einer derart ausgestalteten Zugkraft kann vorteilhaft ein zuverlässiges Nachspannen des nichtleitenden Elements erreicht werden, mit dem eine gute Halterung bewirkt und somit ein axiales Verrutschen der einzelnen Windungen vermieden werden kann. Bei einer Ausgestaltung des Zugelements als Zugfeder kann diese beispielsweise eine Federkonstante von wenigstens 5 N/mm aufweisen.

Der elektrische Leiter kann wenigstens zwei Leiterzweige aufweisen, wobei zumindest zwei in der Wicklung benachbart liegende Leiterzweige für gegenläufige Stromflussrichtungen ausgestaltet sind. Besonders vorteilhaft ist eine solche Ausgestaltung für eine Anwendung der Spulenwicklung in einem Strombegrenzer, da sich bei einem derartigen Wechsel der Stromflussrichtungen die Induktivitäten der beiden Wicklungsteile gegenseitig kompensieren. Im normalen Betriebszustand des Strombegrenzers können dadurch die Wechselstromverluste vorteilhaft gering gehalten werden. Bei einer Anordnung mit nur zwei Leiterzweigen kann die Spulenwicklung insbesondere in Form einer sogenannten bifilaren Spulenwicklung ausgestaltet sein. Bei Anordnungen mit mehr als zwei Leiterzweigen können die Stromflussrichtungen entweder zwischen jedem benachbarten Paar an Leiterzweigen variieren, oder aber es können sowohl in gleicher Richtung bestrombare als auch in unterschiedlicher Richtung bestrombare Nachbarn von Leiterzweigen vorliegen. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass zumindest ein Paar von in der Wicklung benachbarten Leiterzweigen vorliegt, bei denen die im Betrieb vorgesehenen Stromflussrichtungen entgegengesetzt sind. Bei einer derartigen Spulenwicklung ist die erfindungsgemäße Zugspannung auf dem wenigstens einen nichtleitenden Element besonders relevant, da sich die benachbarten Leiterzweige im Betrieb gegenseitig abstoßen und es somit besonders leicht zu einem Lockern des Wicklungsverbundes kommen kann. Ein solches elektrisch bedingtes Lockern des Wicklungsverbundes wird durch die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft vermieden, da das nichtleitende Element dauerhaft gespannt ist. Die vorliegende Zugspannung kann wie oben angegeben so stark ausgebildet sein, dass der mechanische Zusammenhalt der Wicklung so hoch ist, dass auch im elektrischen Betrieb ein seitliches Verrutschen der Windungen vermieden wird.

Die Spulenwicklung kann also zur Verwendung in einem Fehlerstrombegrenzer ausgebildet sein. Es wird daher auch ein Strombegrenzer mit einer erfindungsgemäßen Spulenwicklung beansprucht. Insbesondere kann es sich dabei um eine supraleitende Fehlerstrombegrenzereinrichtung handeln. Der Strombegrenzer kann als resistiver, induktiver oder induktivresistiver Strombegrenzer ausgebildet sein. Der Strombegrenzer kann dabei eine oder mehrere erfindungsgemäße Spulenwicklungen aufweisen. Im Falle mehrere Spulenwicklungen können diese insbesondere in axialer Richtung gestapelt sein.

Alternativ kann die Spulenwicklung aber auch zum Betrieb in einer rotierenden Maschine, also beispielsweise in den Rotor- oder Ständerwicklungen eines Rotors oder Generators vorgesehen sein. In einer weiteren Alternative kann die Spulenwicklung aber auch als Magnetspule zur Erzeugung von Magnetfeldern vorgesehen sein, insbesondere als supraleitende Magnetspule für die Magnetresonanz-Bildgebung oder Magnetresonanz-Spektroskopie.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Aufsicht einer bifilar gewickelten Flachspule eines Fehlerstrombegrenzers zeigt,

2 ein als Abstandshalter ausgestaltetes nichtleitendes Element der Spulenwicklung mit einem darin eingelegten elektrischen Leiter in schematischer Schrägsicht zeigt,

3 den ersten Endbereich 9a aus 1 in schematischer Seitenansicht für eine Ausgestaltung nach dem Stand der Technik zeigt und

4 den ersten Endbereich 9a aus 1 in schematischer Seitenansicht für eine Ausgestaltung gemäß der Erfindung zeigt.

In 1 ist eine Spulenwicklung 1 eines Fehlerstrombegrenzers in schematischer Aufsicht gezeigt. Gezeigt ist eine Flachspule, bei der ein elektrischer Leiter 3 in einer Mehrzahl von Windungen innerhalb einer festen Wicklungsebene um eine zentrale Wicklungsachse A gewickelt ist. Der elektrische Leiter weist hier zwei Leiterzweige 3a und 3b auf, welche im gezeigten Beispiel im Zentrum der Wicklung miteinander verbunden sind und in Form einer sogenannten bifilaren Wicklung derart angeordnet sind, dass die Stromflussrichtungen Ia und Ib der in der Wicklung benachbart angeordneten Leiterzweige 3a und 3b entgegengesetzt sind. Zwischen den benachbart liegenden Windungen der beiden Leiterzweige 3a und 3b ist jeweils ein nichtleitendes Element 5 angeordnet. Die hier insgesamt zwei vorhandenen nichtleitenden Elemente 5 trennen dabei die benachbarten Windungen des elektrischen Leiters 3 über die gesamte Länge der Wicklung. Die benachbarten Windungen sind dabei aufgrund der isolierenden Eigenschaften der Elemente 5 zum einen elektrisch getrennt, und sie werden zum anderen aufgrund der Dicke der Elemente 5 auf einem vorgegebenen Abstand d gehalten. Die Elemente 5 sind dabei nur schematisch als flache Linie wiedergegeben. Sie haben jedoch in diesem Beispiel auch in radialer Richtung eine signifikante Ausdehnung und eine insgesamt dreidimensionale Struktur, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.

Die beiden Enden des elektrischen Leiters 3 liegen aufgrund der gezeigten Faltung des Leiters im Zentrum der Spulenwicklung hier beide in radial außenliegenden Bereichen der Wicklung. Im ersten Endbereich 9a ist der erste Leiterzweig 3a mit einem ersten Halteelement 7a verbunden, welches gleichzeitig für diesen Leiterzweig 3a als Kontaktelement dient. Es kann beispielsweise als massiver Kupferblock ausgestaltet sein. Analog ist im zweiten Endbereich 9b der zweite Leiterzweig 3b mit einem entsprechenden zweiten Halteelement 7b verbunden, welches ebenfalls als Kontaktelement dient. In den Endbereichen 9a und 9b sind die beiden dort kontaktierten Leiterzweige 3a und 3b jeweils etwa bis zum jeweiligen Halteelement auf der radial außenliegenden Seite von einem der nichtleitenden Elemente 5 abgedeckt und so nach außen hin mechanisch geschützt. Die nichtleitenden Elemente 5 sind mechanisch mit den jeweiligen Halteelementen 7a und 7b verbunden. Die weiter unten im Zusammenhang mit 4 näher beschriebene erfindungsgemäße Ausführung der Spulenwicklung 1 unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die genaue Art der mechanischen Fixierung der nichtleitenden Elemente 5 an den Halteelementen 7a und 7b.

Zum besseren Verständnis des Ausführungsbeispiels ist in 2 eine detailliertere Ansicht des in 1 dargestellten nichtleitenden Elements 5 gezeigt. Gezeigt ist ein Abschnitt des als Abstandshalter ausgestalteten nichtleitenden Elements 5 der Spulenwicklung 1 mit einem darin eingelegten elektrischen Leiter 3 in schematischer Schrägsicht. Die Breite des Abstandshalters ist hier mit B bezeichnet und die Richtung seiner Längsausdehnung mit L.

Der elektrische Leiter 3 ist hier als supraleitender Bandleiter ausgebildet, beispielsweise als Bandleiter mit einer hochtemperatursupraleitenden Schicht auf einem normalleitenden Substrat. Solche für supraleitende Strombegrenzer besonders geeignete Bandleiter sind in der DE 10 2004 048 646 A1 näher beschrieben. Das nichtleitende Element 5 ist dazu ausgestaltet, als Abstandshalter zwischen benachbarten Windungen des Leiters 3 zu wirken. Hierzu ist das nichtleitende Element 5 im gezeigten Beispiel aus zwei Teilen aufgebaut, nämlich aus einem Flachband 18 und einem Wellband 17. Beide Bänder können in den einander enger benachbarten Bereichen – also in den Bereichen der Wellentäler in 2 – mechanisch miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Das Wellband 17 weist im Bereich der Wellenberge Aussparungen 21 auf, in die in der fertigen Spulenwicklung 1 der bandförmige Leiter 3 eingelegt werden kann, wie im rechten Teil der 2 beispielhaft gezeigt.

Mit einem solchen nichtleitenden Abstandshalter, wie er beispielhaft in 2 gezeigt ist, kann erreicht werden, dass zum einen die Windungen des supraleitenden Leiters 3 auf einem definierten Abstand gehalten werden und dass zum anderen durch die offene Struktur Hohlräume 13 zwischen den Windungen ausgebildet werden, durch die ein fluides Kühlmittel strömen kann. Der Aufbau des nichtleitenden Elements gemäß der 2 ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung aber nur beispielhaft zu verstehen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Abstandshalters können so wie in der EP 2041808 B1 beschrieben ausgeführt sein.

Nach dem Stand der Technik sind derartige Spulenwicklungen, wie sie mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben wurden, durch eine starre Verbindung des elektrischen Leiters 3 und des nichtleitenden Elements 5 mit den jeweiligen Halteelementen 7a und 7b fixiert. 3 zeigt eine derartige herkömmliche Ausgestaltung der mechanischen Verbindung im Endbereich 9a nach dem Stand der Technik. 3 zeigt eine seitliche Ansicht des Endbereichs 9a von radial außen auf das Halteelement 7a der 1. Gezeigt ist das radial außenliegende nichtleitende Element 5, das im linken Teil der Zeichnung den darunterliegenden Leiter 3 überdeckt. Dieser Leiter 3 ist hier nur durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Aussparungen 21 des gezeigten nichtleitenden Elements 5 sind hier nicht mit einem Leiter gefüllt, da der hier gezeigte Leiter in dem Wellband der darunterliegenden Lage an nichtleitendem Element 5 gehalten ist. Im mittleren Teil der Zeichnung ist der Leiter 3 voll zu sehen, da das Wellband 17 des äußeren nichtleitenden Elements 5 nicht ganz bis zum Halteelement 7a heranreicht und den Leiter 3 daher hier nicht mehr bedeckt. Ebenso ist im mittleren Bereich der Zeichnung das unter dem Wellband 17 liegende Flachband in seinem mittleren Bereich mit einer Ausnehmung versehen, durch das der elektrische Leiter 3 nach radial außen hindurchgeführt ist. Es sind also nur die beiden außenliegenden Teile des Flachbandes 18 bis zum Halteelement 7a geführt. In der gezeigten Ausführung der Halterung nach dem Stand der Technik sind sowohl der Leiter 3 als auch die außenliegenden Teile des Flachbandes 18 mittels einer starren Fixierung über Schrauben 23 mit dem Halteelement 7a verbunden. Dazu sind sowohl der elektrische Leiter 3 als auch die Teile des Flachbandes 18 zwischen zwei miteinander verschraubte Teile des Halteelements 7a eingelegt. Diese Art der Fixierung weist die im einleitenden Teil beschriebenen Nachteile auf, nämlich dass eine Längenänderung des nichtleitenden Elements und/oder eine durch den Betrieb der Spule verursachte Lockerung der Wicklung nicht ausgeglichen werden kann. Es ist zwar prinzipiell ein manuelles Nachspannen nach einer ersten Inbetriebnahme oder nach ersten Funktionstests möglich. Dies ist jedoch sehr aufwändig und erfordert die Demontage der Spulenwicklung aus der fertigen Strombegrenzereinrichtung. Weiterhin besteht das Risiko einer Schädigung des Supraleiters bei solch einem nachträglichen Eingriff.

Im Unterschied zu 3 zeigt schließlich 4 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fixierung der Wicklungselemente am Halteelement 7a. Gezeigt ist wiederum eine seitliche Ansicht des Endbereichs 9a von radial außen. Im Unterschied zur in 3 gezeigten Fixierung ist jedoch hier das nichtleitende Element 5 nicht ganz bis zum Halteelement 7a geführt. Es ist nicht direkt und starr mit diesem verbunden, sondern es ist über elastische Zugelemente an diesem fixiert. Im gezeigten Beispiel liegen zwei solche elastischen Zugelemente 11 in Form von Zugfedern vor, die über einen zwischen Wellband 17 und Flachband 18 in einen der Hohlräume 13 eingeschobenen Haltestift 12 mit diesem verbunden sind. Es sind jedoch auch andere Arten der Fixierung am nichtleitenden Element 5 denkbar. Ebenso reicht es aus, dass nichtleitendes Element 5 und Halteelement 7a mit nur einem elastischen Zugelement miteinander verbunden sind. Wesentlich ist, dass über das elastische Zugelement 11 eine Zugkraft auf das nichtleitende Element 5 ausgeübt wird, welche das nichtleitende Element 5 im Betrieb nachspannt und dadurch den Wicklungsverbund schwächende Kräfte ausgleichen kann. Das nichtleitende Element 5 ist also entkoppelt von dem elektrischen Leiter 3 an dem Halteelement 7a fixiert. Durch die dauerhafte Zugspannung auf dem nichtleitenden Element 5 kann so vorteilhaft ein mechanischer Zusammenhalt der Spulenwicklung auch ohne Verkleben oder Vergießen der Wicklung erreicht werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen mechanischen Fixierung des nichtleitenden Elements sind im Übrigen nicht auf die in 2 gezeigte Ausgestaltung des nichtleitenden Elements beschränkt. Ebensowenig sind sie auf Strombegrenzerspulen mit einer Geometrie entsprechend der 1 beschränkt. Die Ausgestaltungen entsprechend 1 und 2 sind nur beispielhaft zu verstehen, um die Wirkung der Erfindung besser zu erläutern. Allgemein kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Fixierung auch zum Tragen, wenn beispielsweise

  • – die Spulenwicklung nicht die Form einer Flachspule hat, sondern beispielsweise die Form einer Solenoid- oder Sattelspule,
  • – die Spulenwicklung nicht bifilar ist, sondern beispielsweise als Wicklung mit durchgehend gleichsinnigem Stromfluss in benachbarten Windungen aufgebaut ist,
  • – die Spulenwicklung nicht für die Strombegrenzung, sondern beispielsweise für eine Magnetspule oder eine Spule in einer elektrischen Maschine ausgelegt ist,
  • – die Endbereiche des Leiters nicht beide radial außenliegend, sondern beispielsweise einer radial außen und einer radial innen angeordnet ist,
  • – das wenigstens eine Halteelement nicht gleichzeitig als Kontaktelement für den Leiter ausgebildet ist,
  • – der elektrische Leiter und/oder das nichtleitende Element nicht bandförmig ist
  • – und/oder wenn der elektrische Leiter nicht supraleitend ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102004048646 A1 [0037]
  • EP 2041808 B1 [0038]