Title:
Gewickelte Leiteranordnung mit Abstandselement
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird eine gewickelte Leiteranordnung (1) mit einem elektrischen Leiter (3) angegeben, der in wenigstens einer Leiterwindung (5i) gewickelt ist,
– wobei zumindest in einem Teilbereich (19a) der Leiteranordnung (1) ein Abstandselement (7) zu dem elektrischen Leiter benachbart (3) angeordnet und parallel zu diesem geführt ist,
– wobei das Abstandselement (7) ein längliches Band (9) aufweist, welches auf wenigstens einer seiner beiden Hauptflächen (11) mit einer Mehrzahl von länglich geformten Abstandshaltern (13) versehen ist.




Inventors:
Bauer, Anne (90768, Fürth, DE)
Krämer, Hans-Peter (91058, Erlangen, DE)
Application Number:
DE102016213753A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
07/27/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102012210802A1N/A2014-01-02
DE102007014360A1N/A2008-10-02
DE102006032972B3N/A2008-02-14
DE2426218A1N/A1975-12-18
DE7336917UN/A1974-01-10



Foreign References:
GB962222A1964-07-01
EP20418082010-03-31
WO2011095199A12011-08-11
Claims:
1. Gewickelte Leiteranordnung (1) mit einem elektrischen Leiter (3), der in wenigstens einer Leiterwindung (5i) gewickelt ist,
– wobei zumindest in einem Teilbereich (19a) der Leiteranordnung (1) ein Abstandselement (7) zu dem elektrischen Leiter benachbart (3) angeordnet und parallel zu diesem geführt ist,
– wobei das Abstandselement (7) ein längliches Band (9) aufweist, welches auf wenigstens einer seiner beiden Hauptflächen (11) mit einer Mehrzahl von länglich geformten Abstandshaltern (13) versehen ist.

2. Leiteranordnung (1) nach Anspruch 1, bei der der elektrische Leiter (3) in mehreren Windungen (5i) gewickelt ist, wobei das Abstandselement (7) zumindest in dem genannten Teilbereich (19a) der Leiteranordnung (1) zwischen zwei nebeneinanderliegenden Windungen (5i) des elektrischen Leiters (3) angeordnet ist, so dass diese durch das Abstandselement (7) beabstandet sind.

3. Leiteranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
– welche ferner einen Wicklungsträger (17) umfasst, der den elektrischen Leiter (3) trägt,
– wobei das Abstandselement (7) zumindest in dem genannten Teilbereich (19a) der Leiteranordnung (1) so zwischen dem Wicklungsträger (17) und einer Leiterwindung (5i) angeordnet ist, dass Wicklungsträger (17) und Leiterwindung (5i) durch das Abstandselement (7) voneinander beabstandet sind.

4. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
– bei welchem das längliche Band (9) des Abstandselements (7) eine Breite (b9) aufweist, die größer ist als die Breite (b3) des elektrischen Leiters (3)
– und bei welchem der elektrische Leiter (3) zwischen den auf dem länglichen Band (9) angeordneten Abstandshaltern (13) und im Wesentlichen parallel zu dem länglichen Band (9) geführt ist.

5. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Abstandshalter (13) stiftartig ausgestaltet sind und insbesondere zylinderartig oder konisch sind.

6. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das längliche Band (9) und die Abstandshalter (13) des Abstandselements (7) einstückig ausgestaltet sind.

7. Leiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Abstandselement (7) aus dem länglichen Band (9) und den Abstandshaltern (13) zusammengesetzt ist.

8. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Abstandselement (7) nur für einen Teil der Leiterlänge zu dem elektrischen Leiter (3) benachbart geführt ist.

9. Leiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher das Abstandselement (7) auf der ganzen Länge des elektrischen Leiters (3) zu dem Leiter (3) benachbart geführt ist.

10. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der elektrische Leiter (3) supraleitend ist.

11. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der elektrische Leiter (3) ein Bandleiter ist.

12. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der elektrische Leiter (1) in Form einer Flachspule gewickelt ist.

13. Leiteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Strombegrenzerspule ausgestaltet ist.

14. Leiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche als Transformatorspule und/oder als Magnetspule ausgestaltet ist.

15. Leiteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche als wenigstens eine Kondensatorwicklung (38a, 38b) ausgestaltet ist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gewickelte Leiteranordnung mit einem elektrischen Leiter, der in wenigstens einer Leiterwindung gewickelt ist, wobei zumindest in einem Teilbereich der Leiteranordnung ein Abstandselement zu dem elektrischen Leiter benachbart angeordnet und parallel zu diesem geführt ist.

Bei vielen bekannten Leiteranordnungen wird ein elektrischer Leiter so gewickelt, dass er in mehreren übereinanderliegenden spiralförmigen Windungen vorliegt. Diese übereinanderliegenden Windungen werden häufig elektrisch gegeneinander isoliert. Dazu kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes Kunststoffelement zwischen den einzelnen Leiterwindungen angeordnet sein. Bei einem bandförmigen Leiter, beispielsweise einem supraleitenden Bandleiter, kann das isolierende Element ein zwischen die Windungen gelegtes Kunststoffband sein. Um eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen den Windungen zu erreichen, ist ein solches Band oft breiter ausgebildet als der Bandleiter. Neben der elektrischen Isolation wirkt ein solches zwischen die Windungen gelegtes Band aber auch als Abstandselement, da es die einzelnen Windungen durch seine eigene Dicke auf einem definierten Abstand hält.

Auch bei vielen normalleitenden Leiteranordnungen werden Abstandselemente zwischen die Windungen des elektrischen Leiters gelegt. Ein Beispiel hierfür ist ein gewickelter Kondensator, bei dem ein elektrisch isolierendes Abstandshalterband, beispielsweise aus Papier oder Kunststoff, zwischen die einzelnen gewickelten Leiterelemente gelegt wird. Auch hier wird neben der Funktion der elektrischen Isolation durch das Abstandshalterband ein definierter Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Leiterelemente vorgegeben, was zum Einhalten einer vorgegebenen Kondensator-Geometrie und damit einer vorgegebenen Kapazität beiträgt.

Bei vielen herkömmlichen gewickelten Leiteranordnungen wird die gesamte Wicklung vergossen oder verklebt, so dass die einzelnen Windungen einen festen Verbund miteinander eingehen. Beispielsweise kann der Leiter bereits vor oder während der Herstellung der Wicklung mit einem Imprägnier- oder Klebemittel, insbesondere einem Harz, beaufschlagt werden. Dieses Klebemittel kann nach dem Wickeln gehärtet werden, so dass ein mechanisch fester Wicklungsverbund entsteht. Man spricht hierbei auch von einer nass gewickelten Leiteranordnung. Alternativ oder zusätzlich kann die Leiteranordnung nach der Herstellung der Wicklung mit einem Vergussmittel vergossen werden, wobei ebenfalls eine mechanisch feste Struktur gebildet wird. Unabhängig davon, wie der mechanisch feste Verbund genau hergestellt wurde, ist es diesen Typen von Leiteranordnungen gemeinsam, dass der fertige Wicklungsverbund einen zusammenhängenden, festen Körper ausbildet, bei dem keine freien Lücken zwischen den einzelnen Windungen des elektrischen Leiters vorliegen. Ein Nachteil davon, dass die Bereiche zwischen den Leiterwindungen vollständig mit festem Material ausgefüllt sind, ist dass diese Zwischenbereiche nicht von einem fluiden Kühlmittel durchströmt werden können. Die Anbindung des elektrischen Leiters an einen Kühlmittelkreislauf ist somit erschwert, da nur der Wicklungsverbund als Ganzes und nicht die Leiterwindungen separat mit einem fluiden Kühlmittel direkt thermisch gekoppelt sein können.

Um die Kühlung des elektrischen Leiters in einer gewickelten Leiteranordnung zu verbessern, wurde in der Vergangenheit vorgeschlagen, ein dreidimensional geformtes, von Kühlmittel durchströmbares Abstandselement zwischen den einzelnen Windungen einer solchen Wicklung anzuordnen. So beschreibt beispielsweise die EP2041808B1 einen supraleitenden Strombegrenzer, bei dem ein komplex geformtes bandförmiges Abstandselement zwischen den benachbarten Windungen eingelegt ist. Dieses Abstandselement weist sowohl ein flaches Band als auch ein gewelltes Band auf, wobei diese Bänder miteinander verbunden sind und im gewellten Teil eine Aussparung zur Führung eines eingelegten supraleitenden Bandleiters aufweisen. Durch die offene Struktur der beiden verbundenen Bänder ist dieses Abstandselement von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar. Durch die komplexe Geometrie und die nötige Verbindung zwischen den beiden Teilbändern ist ein solches Abstandselement allerdings relativ aufwendig zu fertigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gewickelte Leiteranordnung mit einem Abstandselement anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Abstandselement zur Verfügung gestellt werden, welches eine leichte Durchströmbarkeit der Leiteranordnung mit einem Kühlmittel ermöglicht und gleichzeitig relativ einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene gewickelte Leiteranordnung gelöst. Die erfindungsgemäße gewickelte Leiteranordnung weist einen elektrischen Leiter auf, der in wenigstens einer Leiterwindung gewickelt ist, wobei zumindest in einem Teilbereich der Leiteranordnung ein Abstandselement zu dem elektrischen Leiter benachbart angeordnet und parallel zu diesem geführt ist. Das Abstandselement umfasst ein längliches Band, welches auf wenigstens einer seiner Hauptflächen mit einer Mehrzahl von länglich geformten Abstandshaltern versehen ist.

Durch die Anordnung der länglich geformten Abstandshalter auf der Oberfläche des Bandes wird erreicht, dass der Abstand der voneinander zu beabstandenden Leiterwindungen und/oder der Abstand zwischen einer Windung und einem Wicklungsträger nicht nur durch die Dicke des Bandes, sondern auch durch die Ausdehnung der auf der Oberfläche platzierten länglich geformten Abstandshalter bestimmt wird. Die räumliche Ausdehnung der einzelnen Abstandshalter senkrecht zur Ebene des Bandes kann dabei untereinander ähnlich oder sogar im Wesentlichen gleich sein. Beispielsweise kann die Standardabweichung der räumlichen Ausdehnung der einzelnen Abstandshalter in dieser Richtung unterhalb von 10 % des Mittelwerts, insbesondere unterhalb von 5 % des Mittelwerts liegen.

Unter einem länglich geformten Abstandshalter soll ein solcher Abstandshalter verstanden werden, bei dem die räumliche Ausdehnung in einer Raumrichtung die Ausdehnungen in den dazu senkrecht verlaufenden Raumrichtungen deutlich übersteigt. Eine Biegung der Abstandshalter soll dabei nicht ausgeschlossen sein. Die Hauptrichtung der Abstandshalter kann im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Bandes liegen, so dass es sich beispielsweise um stiftartig oder dornenartig abstehende Abstandshalter handeln kann. Die Abstandshalter können aber beispielsweise auch als Abstandsrippen ausgestaltet sein, deren Hauptrichtung sich quer zum zugrundeliegenden Band erstrecken kann.

Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Bandes und der darauf angeordneten länglichen Abstandshalter wird durch das beschriebene Abstandselement erreicht, dass der Bereich zwischen den benachbarten Leiterwindungen oder zwischen Windung und Wicklungsträger von einem fluiden Kühlmittel durchströmbar ist. Dies ist deshalb der Fall, weil das Kühlmittel in den Lücken zwischen den einzelnen länglichen Abstandselementen strömen kann. Vorteilhaft kann das Abstandselement so ausgestaltet sein, das sich die einzelnen länglichen Abstandselemente mit ihrer Längsrichtung zumindest teilweise in einer Richtung erstrecken, die senkrecht zur Ebene des Bandes liegt, auf dem diese Abstandselemente angeordnet ist. Die einzelnen Abstandshalter können insbesondere so ausgestaltet sein, dass ihre Längsrichtung hauptsächlich senkrecht zur Ebene des Bandes verläuft. Mit anderen Worten können die länglichen Abstandshalter von der Oberfläche des Bandes abstehen. Bei einer solchen Anordnung ergeben sich zwangsläufig Lücken in der Ebene parallel zu dem Band zwischen den Abstandshaltern, die von einem Kühlmittel durchströmt werden können. Es kann sich insbesondere ein Kühlmittelstrom mit einer Hauptrichtung parallel zur lokalen Bandebene ausbilden. Das Band kann dabei im Übrigen insbesondere als flaches Band ausgeführt sein.

Das Abstandselement kann insbesondere radial benachbart zu dem elektrischen Leiter angeordnet sein. Bei Leiteranordnungen mit nicht kreisförmigen Querschnitten soll dabei unter dem Begriff „radial“ eine entsprechende innerhalb einer Wicklungsebene nach innen oder außen weisende Richtung verstanden werden. Die Form der Leiteranordnung soll durch diesen Begriff also nicht auf eine kreisförmige Grundform eingeschränkt sein.

Das Abstandselement in der erfindungsgemäßen Leiteranordnung ist also dazu geeignet, den elektrischen Leiter über ein zwischen und/oder neben den Windungen strömendes Kühlmittel besonders gut an einen Kühlkreislauf anzubinden. Es ist ebenfalls dazu geeignet, den elektrischen Leiter auf einem vorgegebenen Abstand von benachbarten Windungen und/oder einem benachbarten Wicklungsträger zu halten und damit zu einer definierten Geometrie der Leiteranordnung beizutragen. Diese definierte Geometrie kann aufgrund der Funktion des Abstandselements auch dann eingehalten werden, wenn die Windung(en) der Leiteranordnung nicht miteinander oder mit einem Wicklungsträger verklebt oder vergossen sind.

Im Unterschied zu dem komplexen Wellband der EP2041808B1 kann der Abstandshalter nach der vorliegenden Erfindung vorteilhaft relativ einfach gefertigt werden, wie weiter unten im Zusammenhang mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen deutlich wird. Er kann auch relativ leicht mit hoher mechanischer Stabilität und entsprechend vorgegebener geometrischer Anforderungen hergestellt werden.

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

So können die einzelnen Abstandshalter als Abstandsstifte oder Abstandsdornen ausgestaltet sein, die von dem Band des Abstandselements abstehen. Besonders vorteilhaft können dies gerade Stifte oder Dornen sein, die senkrecht von dem Band abstehen. Alternativ können sie aber auch als längliche Schlingen oder gekrümmte Haken ausgebildet sein, die sich nur zum Teil in einer Richtung senkrecht zum Band erstrecken. Wesentlich ist, dass die länglich geformten Abstandshalter zumindest in einem Teil ihres Verlaufs von dem Band abstehen, so dass sie in einer Richtung senkrecht zur Bandebene einen Abstand schaffen können.

Der elektrische Leiter kann in mehreren Windungen gewickelt sein, wobei das Abstandselement zumindest in dem genannten Teilbereich der Leiteranordnung zwischen zwei nebeneinanderliegenden Windungen des elektrischen Leiters angeordnet ist, so dass diese durch das Abstandselement beabstandet sind. Auf diese Weise können die Windungen vorteilhaft auf einem vorgegebenen Abstand gehalten werden, wobei der Bereich zwischen den Windungen von Kühlmittel durchströmbar bleibt. Es kann sich bei der Leiteranordnung um eine ebene Leiteranordnung handeln, bei der die einzelnen Windungen innerhalb einer gemeinsamen Wicklungsebene angeordnet sind. Die Leiterwindungen können dann wiederum radial zueinander benachbart sein, und der Abstandshalter kann radial zwischen den benachbarten Leiterwindungen angeordnet sein. Dies für einen oder mehrere Teilabschnitte des die Wicklung umlaufenden Leiters der Fall sein, beispielsweise kann der Abstandshalter jeweils in vorgegebenen Umfangssegmenten zwischen den Windungen eingelegt sein. Er kann jedoch auch für die gesamte Länge der Wicklung die jeweils benachbarten Leiterabschnitte beabstanden.

Die Leiteranordnung kann vorteilhaft einen Wicklungsträger umfassen, der den elektrischen Leiter trägt. Mit anderen Worten kann der elektrische Leiter so angeordnet sein, dass er von dem Wicklungsträger mechanisch gehalten wird. Alternativ oder zusätzlich zur beschriebenen Beabstandung der einzelnen Leiterwindungen kann dann das Abstandselement zumindest in dem genannten Teilbereich der Leiteranordnung so zwischen dem Wicklungsträger und einer Leiterwindung angeordnet sein, dass Wicklungsträger und Leiterwindung durch das Abstandselement voneinander beabstandet sind. Auch hier kann es sich vorteilhaft um eine ebene Leiteranordnung handeln, bei der das Abstandselement radial benachbart zum elektrischen Leiter angeordnet ist. Insbesondere wird dann die innerste Windung durch das Abstandselement radial vom Wicklungsträger beabstandet.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Leiteranordnung mit einem Abstandselement zwischen Wicklungsträger und Leiterwindung kann der elektrische Leiter in nur einer Leiterwindung gewickelt sein. Diese Leiterwindung kann insbesondere in sich kurzgeschlossen sein. Eine solche Leiteranordnung kann beispielsweise als Abschirmspule eines induktiven Strombegrenzers ausgestaltet sein, die insbesondere innerhalb einer Drosselspule angeordnet ist. Dabei kann es sich besonders vorteilhaft um eine supraleitende Abschirmspule handeln, wobei dann durch den Übergang der supraleitenden Abschirmspule in den normalleitenden Zustand bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes in der Drosselspule die Impedanz der Drosselspule stark variiert werden kann, wie beispielsweise in der WO 2011/095199A1 beschrieben wird. So ist die Erfindung ebenfalls auf einen induktiven Strombegrenzer mit einer solchen als Kurzschlussspule ausgestalteten Abschirmspule gerichtet. Dabei können auch mehrere solche Kurzschlussspulen mit jeweils nur einer Leiterwindung vorliegen. Diese einzelnen Kurzschlussspulen können beispielsweise entweder radial oder axial gestapelt sein.

Allgemein kann das längliche Band des Abstandselements eine Breite aufweisen, die größer ist als die Breite des elektrischen Leiters. Diese Ausführung ist besonders günstig, um den Leiter gegen benachbarte elektrisch leitende Elemente wie beispielsweise benachbarte Leiterwindungen und/oder einen Wicklungsträger zuverlässig elektrisch zu isolieren. Weiterhin besteht bei dieser Ausführungsform ein besonders zuverlässiger Schutz des benachbart zum Abstandselement geführten Leiters vor äußeren mechanischen Belastungen, vor allem durch Krafteinwirkung in axialer Richtung.

Bei einer derartig breiten Ausführung des länglichen Bandes kann der elektrische Leiter vorteilhaft zwischen den auf dem länglichen Band angeordneten Abstandshaltern geführt sein. Er kann dabei im Wesentlichen parallel zu dem länglichen Band geführt sein. Mit anderen Worten kann der elektrische Leiter über die Breite des Bandes betrachtet auf beiden Seiten von den länglichen Abstandshaltern flankiert sein. Bezogen auf eine Wicklungsachse der gesamten Leiteranordnung kann er in axialer Richtung von diesen Abstandshaltern flankiert sein. Bei dieser Ausführungsform bewirken die Abstandshalter also nicht nur die Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes und die gleichzeitige Umströmbarkeit des Leiters mit einem Kühlmittel. Vielmehr bewirken sie auch, dass der Leiter in axialer Richtung fest im Wicklungsverbund gehalten wird und/oder vor mechanischen Einwirkungen aus axialer Richtung geschützt ist.

Bei der Ausführungsform, bei der der Leiter seitlich von den länglichen Abstandshaltern flankiert wird, kann der Bereich des Bandes, der neben dem Leiter geführt ist entweder frei von derartigen Abstandshaltern sein oder aber er kann mit vergleichsweise kürzeren Abstandshaltern versehen sein, auf denen der elektrische Leiter aufliegen kann. Ein Vorteil der letztgenannten Ausführungsform liegt darin, dass der Bereich zwischen dem Leiter und dem Band des Abstandshalters ebenfalls von Kühlmittel durchströmt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abstandshalter unter dem Bandleiter mit dazu beitragen können, den elektrischen Leiter fest im Wicklungsverbund zu halten.

Die Abstandshalter des Abstandselements können vorteilhaft federnd ausgeführt sein. Dies kann unabhängig davon der Fall sein, ob diese Abstandshalter bezogen auf die Breite des Bandes seitlich vom elektrischen Leiter und/oder unter diesem Leiter angeordnet sind. Beispielsweise können die Abstandshalter dazu ausgebildet sein, eine Federkraft in einer radialen Richtung der Leiteranordnung auszuüben. Mit anderen Worten kann die Federkraft in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Bandes des Abstandshalters wirken. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um mechanische Spannungen abzufedern, wie sie beispielsweise durch thermische Längenänderungen auftreten können. Die Leiteranordnung kann unter Umständen starken Temperaturänderungen ausgesetzt sein, sei es, um einen supraleitenden Leiter auf eine kryogene Betriebstemperatur zu kühlen oder sei es, weil bei dem Betrieb einer normalleitenden Leiteranordnung eine starke Wärmeentwicklung verursacht wird. Unabhängig von der Ursache der Temperaturänderung kann diese zu einer mechanischen Belastung der Wicklung führen, entweder durch eine thermische Ausdehnung des Leiters und/oder der übrigen Komponenten oder durch eine thermische Schrumpfung des Leiters und/oder der übrigen Komponenten. Das Risiko einer Schädigung des Leiters durch solche Längenänderungen ist besonders groß, wenn es starke differentielle Längenänderungen zwischen dem Leiter und den umgebenden Materialien gibt. Um den Leiter vor einer potentiellen Schädigung zu schützen, ist es vorteilhaft, wenn Längen- und Umfangsänderungen der Leiterwindung abgefedert werden können. Dies kann durch die beschriebenen federnden Abstandshalter erreicht werden. Wenn insbesondere die Leiteranordnung mit einer gewissen Vorspannung der federnden Abstandshalter gewickelt wird, kann der Abstandshalter sowohl eine thermische Ausdehnung als auch eine thermische Schrumpfung vorteilhaft ausgleichen.

Eine federnde Wirkung der auf dem Band angeordneten Abstandshalter kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Material der Abstandshalter elastisch verformbar ist, und so die länglichen Abstandshalter in Richtung ihrer Längsausdehnung somit beim Herstellen der Wicklung gestaucht werden können. Alternativ oder zusätzlich kann eine derartige Federwirkung auch durch die Formgebung der Abstandshalter erreicht werden, beispielsweise durch eine leichte Krümmung der länglichen Abstandshalter, die eine Stauchung in Richtung der Längsausdehnung durch eine Verstärkung dieser Krümmung ermöglicht.

Allgemein können die Abstandshalter bevorzugt stiftartig ausgestaltet sein. Sie können insbesondere die Form zylinderartiger und/oder zylinderförmiger Stifte aufweisen oder sie können konisch geformt sein, beispielsweise in Form von sich vom Trägerband weg verjüngenden Dornen. Unter der genannten Zylinderform soll hier nach der allgemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer insbesondere zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. So können die als Stifte ausgebildeten Abstandshalter beispielsweise auch ovale oder eckige Querschnitte aufweisen. Vergleichbares gilt für die Querschnittsform der als sich verjüngende Dornen ausgebildeten Abstandshalter.

Das längliche Band und die Abstandshalter des Abstandselements können allgemein vorteilhaft einstückig ausgestaltet sein. Mit anderen Worten können die Bestandteile des Abstandselements aus einem zusammenhängenden Material gebildet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Ausführungsform eine besonders einfache Herstellung des Abstandselementes erlaubt. Beispielsweise kann ein solches Abstandselement durch Pressen, Tiefziehen, Prägen, Stempeln und/oder Vakuumformen eines ursprünglich flachen Ausgangsbandes hergestellt werden. Alternativ kann ein solches Abstandselement auch durch Gießen des einheitlichen Ausgangsmaterials in eine entsprechende Gussform oder durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden. In jedem Fall müssen die einzelnen Abstandshalter bei einer derartigen Ausführungsform nicht einzeln auf das Trägerband aufgebracht werden.

Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann das Abstandselement aus dem länglichen Band und den Abstandshaltern zusammengesetzt sein. Mit anderen Worten kann das Abstandselement aus den separaten Teilelementen durch nachträgliches Zusammenfügen gebildet sein. Dies kann beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben der Abstandshalter mit dem Band erreicht werden. Alternativ können die Abstandshalter auch in dafür vorgesehene Aussparungen im Band eingesteckt sein.

Das Abstandselement kann vorteilhaft aus elektrisch isolierendem Material gebildet sein oder ein solches Material umfassen. Insbesondere kann zumindest das Band des Abstandselements auch einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere ein Kunststoff sein. Dies erleichtert die einstückige Fertigung des Abstandselementes, insbesondere durch Verfahren wie Pressen, Tiefziehen, Prägen, Stempeln, Vakuumformen oder Gießen.

Das Abstandselement kann allgemein vorteilhaft mit dem parallel zu ihm geführten elektrischen Leiter fest verbunden sein. Beispielsweise kann er mit diesem verklebt sein. Eine solche Verklebung kann entweder im Bereich des Bandes des Abstandselements und/oder im Bereich der darauf angeordneten länglichen Abstandselemente vorliegen. Eine derartige feste Verbindung zwischen Abstandselement und elektrischem Leiter kann dazu beitragen, die mechanische Stabilität der Leiteranordnung zu erhöhen.

Das Abstandselement kann allgemein nur für einen Teil der Leiterlänge zu dem elektrischen Leiter parallel geführt sein. Mit anderen Worten kann das Abstandselement auf einem oder mehreren Abschnitten des Leiters zwischen diesen und eine benachbarte Windung und/oder zwischen diesen und einen darunterliegenden Wicklungsträger eingelegt sein. Insbesondere kann das Abstandselement nur auf vorgegebenen Umfangssegmenten der Leiteranordnung vorliegen. Alternativ kann sich der genannte Teilabschnitt aber auch über den gesamten Umfang der Leiteranordnung erstrecken, wobei der Abstandshalter aber nicht in allen radialen Lücken zwischen benachbarten Windungspaaren eingelegt ist.

Alternativ kann das Abstandselement aber auch auf der gesamten Länge des elektrischen Leiters zu dem Leiter benachbart geführt sein. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um über die gesamte Wicklung hinweg eine definierte Geometrie, mechanischen Schutz und gleichzeitig eine Durchströmbarkeit mit Kühlmittel zu erreichen.

Die auf der wenigstens einen Hauptfläche des Bandes angeordneten Abstandshalter können auf dieser Oberfläche eine Dichte von wenigstens 3 Stück pro Quadratzentimeter aufweisen. Eine derart dichte Packung von länglichen Abstandshaltern auf dieser Oberfläche bewirkt vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Beabstandung der betreffenden Leiterwindung von einer benachbarten Windung und/oder einem benachbarten Wicklungsträger. Das Band mit den Abstandshaltern kann allgemein vorteilhaft flexibel ausgestaltet sein, damit er zusammen mit dem elektrischen Leiter gewickelt werden kann.

Allgemein kann der elektrische Leiter vorteilhaft supraleitend sein. Eine solche supraleitende Leiteranordnung unterliegt besonders starken Temperaturveränderungen, da sie zu ihrem Betrieb auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden muss, was durch das direkte Umspülen des Leiters mit einem kryogenen Kühlmittel erleichtert wird. Daher kommen die Vorteile der Erfindung bei einer solchen supraleitenden Spuleneinrichtung besonders zum Tragen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf supraleitende Leiter beschränkt, da auch bei normalleitenden Leiteranordnungen oft ein signifikanter Kühlbedarf vorliegt, der durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vorteilhaft ausgeglichen erreicht werden kann. Auch hier kann es günstig sein, den Leiter von einem Kühlmittel, beispielsweise einem Transformatoröl, möglichst direkt umspülen zu lassen.

Besonders vorteilhaft kann der elektrische Leiter ein hochtemperatursupraleitendes Material umfassen. 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.

Der Leiter kann allgemein vorteilhaft ein Bandleiter, insbesondere ein hochtemperatursupraleitender Bandleiter sein. Bei dem Bandleiter kann es sich vorteilhaft um einen flachen Bandleiter, insbesondere mit rechteckigem Querschnittsprofil, handeln. Ein solcher bandförmiger Leiter kann flach auf der Außenfläche eines Wicklungsträgers der Leiteranordnung aufliegen und/oder es können mehrere aufeinanderfolgende Windungen des Bandleiters flach aufeinander liegen. Bandleiter, bei denen ein normalleitendes Substrat mit einer HTS-Schicht beschichtet ist, sind besonders vorteilhaft für die Herstellung supraleitender Spulenwicklungen, wie sie beispielsweise für supraleitende Magnetspulen oder Strombegrenzer zum Einsatz kommen. Daher sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit solchen Leitern besonders wichtig. Es kann aber auch ein HTS-Leiter zum Einsatz kommen, der nicht als Bandleiter ausgebildet ist, beispielsweise ein HTS-Draht mit rundem oder eckigem Querschnitt. Alternativ ist es möglich, dass der elektrische Leiter ein normalleitender Bandleiter oder Folienleiter ist. Beispielsweise kann in einem normalleitenden Kondensator eine gewickelte Anordnung von zwei oder mehr ineineinander geschachtelten Wicklungen von Folienleitern zum Einsatz kommen, die untereinander elektrisch durch isolierende Zwischenfolien getrennt sind.

Der elektrische Leiter kann allgemein vorteilhaft in Form einer elektrischen Spulenwicklung, insbesondere in Form einer Flachspule gewickelt sein. Mit anderen Worten kann die Spulenwicklung mehrere Windungen umfassen, welche innerhalb einer gemeinsamen Wicklungsebene radial übereinander angeordnet sind. Diese Form der Spulenwicklung kommt besonders häufig bei supraleitenden Spulen zum Einsatz, die aus bandförmigen Leitern gewickelt werden. Hierbei wird die Wicklung durch eine Vielzahl von Windungen gebildet, wobei die einzelnen Windungen so in radialer Richtung übereinander zu liegen kommen, dass die Bandleiterabschnitte der einzelnen Wicklungslagen flach aufeinander liegen. Es kann sich insbesondere um eine spiralförmig gewickelte Flachspule handeln. Die Spulenform ist dabei nicht auf einen kreisförmigen Querschnitt beschränkt. Die Grundform kann zwar vorteilhaft kreisförmig sein, was zu einer besonders symmetrischen Spulenform führt. Allerdings sind auch andere Grundformen möglich und für bestimmte Anwendungen vorteilhaft. So kann die Spuleneinrichtung auch eine zylindrische Spulenwicklung mit einer Grundfläche in Form einer Ellipse, eines Ovals, einer Rennbahngeometrie oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken aufweisen.

Bei der elektrischen Leiteranordnung kann es sich – unabhängig davon, ob es sich um eine Spulenwicklung oder eine andere gewickelte Leiteranordnung handelt – vorteilhaft um eine trockene Wicklung handeln. Unter einer trockenen Wicklung soll dabei eine solche Wicklung verstanden werden, bei der die einzelnen Windungen des Leiters untereinander sowie mit einem gegebenenfalls vorliegenden Wicklungsträger nicht mit einem Kleber oder einem Vergussmittel verklebt oder vergossen sind. Bei einer solchen trocken gewickelten Wicklung wird die wenigstens eine Leiterwindung also nur durch Formschluss und mechanische Kräfte im Wicklungsverbund gehalten. Bei einer solchen Wicklung ist es besonders gut möglich, den elektrischen Leiter direkt mit einem Kühlmittel zu umspülen, wenn er durch ein Abstandselement von benachbarten Windungen und/oder einem Wicklungsträger beabstandet werden kann. Weiterhin ist es besonders gut möglich, thermische Längenänderungen des Leiters durch eine federnde Ausgestaltung des Abstandselements auszugleichen. Die durch die Längenänderungen verursachten mechanischen Spannungen im Leiter können sich dann also durch ein insbesondere tangentiales „Nachrutschen“ der benachbarten Windungen untereinander und/oder durch ein Nachrutschen der Windung(en) auf einem Wicklungsträger besonders gut ausgleichen.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform der Leiteranordnung als trockene Wicklung ist es aber prinzipiell auch möglich, dass die wenigstens eine Leiterwindung mit dem Abstandselement verklebt ist. Dies führt vorteilhaft zu einem mechanisch besonders festen Wicklungsverbund. Andererseits ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung trotzdem möglich, die Bereiche zwischen den einzelnen Abstandshaltern des Abstandselements zumindest in Teilbereichen von Kühlmittel durchströmbar zu halten. Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass die Menge des verwendeten Imprägnier- oder Klebemittels so dosiert und die Anordnung so gewählt wird, dass der elektrische Leiter nur mit dem länglichen Band des Abstandselements verklebt wird, und sich das Imprägnier- oder Klebemittel nicht in den Bereich zwischen den vom Band abstehenden länglich geformten Abstandshaltern erstreckt.

Die elektrische Leiteranordnung kann vorteilhaft als Strombegrenzerspule ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann sie als Spulenwicklung ausgestaltet sein, welche in einem Strombegrenzer verwendet wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird aber auch durch einen solchen Strombegrenzer selbst gelöst, so dass ein elektrischer Strombegrenzer mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Leiteranordnung ebenfalls Gegenstand der Erfindung sein soll. Bei dem Strombegrenzer kann es sich um einen sogenannten Fehlerstrombegrenzer handeln, der einen in einem äußeren Stromkreis fließenden Strom beim Erreichen eines vorgegebenen Fehlerstromniveaus begrenzen kann. Ein solcher Strombegrenzer kann beispielsweise als resistiver, als induktiver oder als induktivresistiver Strombegrenzer ausgebildet sein.

Alternativ kann die elektrische Leiteranordnung als Transformatorspule und/oder als Magnetspule ausgestaltet sein. Auch hier wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ebenfalls durch eine übergeordnete elektrische Spuleneinrichtung gelöst, so dass eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Leiteranordnung ebenfalls Gegenstand der Erfindung sein soll, insbesondere eine elektrische Spuleneinrichtung, bei der die Leiteranordnung als Transformatorspule und/oder als Magnetspule ausgestaltet ist. Die übergeordnete elektrische Spuleneinrichtung kann dabei zusätzliche Elemente, beispielsweise eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des elektrischen Leiters mit einem fluiden Kühlmittel umfassen.

Alternativ kann die Leiteranordnung aber auch als Kondensatorwicklung ausgestaltet sein. In diesem Fall wird die Aufgabe der Erfindung auch durch einen übergeordneten Kondensator mit einer solchen Kondensatorwicklung gelöst.

Alternativ zu der erfindungsgemäßen Lösung mit einem Abstandselement, das ein längliches Band und eine Mehrzahl von länglich geformten Abstandshaltern umfasst, kann die vorliegende Aufgabe aber auch durch eine gewickelte Leiteranordnung gelöst werden, welche anders aufgebaut ist. Die gewickelte Leiteranordnung nach dieser Variante umfasst ebenfalls einen elektrischen Leiter, welcher in wenigstens einer Leiterwindung gewickelt ist, wobei zumindest in einem Teilbereich der Leiteranordnung ein Abstandselement zu dem elektrischen Leiter benachbart angeordnet und parallel zu diesem geführt ist. Das Abstandselement ist als längliches, bandförmiges Element ausgebildet, welches eine geschäumte Struktur aufweist. Durch die Ausgestaltung des Abstandselements als geschäumte Struktur kann ebenfalls erreicht werden, dass eine gegebene Leiterwindung zu benachbarten Windungen und/oder einem Wicklungsträger auf Abstand gehalten wird, wobei der Zwischenraum trotzdem von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Dies kann insbesondere durch die Verwendung eines im Wesentlichen offenporigen Schaums erreicht werden. Beispielsweise kann es sich bei dem offenporigen Schaum um einen geschäumten Kunststoff handeln. Besonders vorteilhaft kann ein solches bandförmiges, geschäumtes Abstandselement eine längliche Aussparung aufweisen, in der der elektrische Leiter geführt wird. Bei einer solchen Aussparung kann es sich insbesondere um eine sich in Längsrichtung erstreckende Führungsnut auf einer der beiden Hauptflächen des Bandes handeln.

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

1 einen schematischen Querschnitt zweier Windungen eines Leiters in einer Leiteranordnung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,

2 einen schematischen Querschnitt zweier Windungen eines Leiters in einer Leiteranordnung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,

3 einen schematischen Querschnitt zweier Windungen eines Leiters in einer Leiteranordnung nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt,

4 eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs eines Leiters in einer Leiteranordnung nach einem vierten Beispiel der Erfindung zeigt,

5 eine schematische Schnittansicht innerhalb der Wicklungsebene einer Leiteranordnung nach einem fünften Beispiel der Erfindung zeigt,

6 eine schematische Schnittansicht innerhalb der Wicklungsebene einer Leiteranordnung nach einem sechsten Beispiel der Erfindung zeigt,

7 drei Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein Abstandselement nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt,

8 drei Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein Abstandselement nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt,

9 einen Schritt aus der Wicklung einer Leiteranordnung nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt,

10 ein späteres Stadium der Herstellung einer ähnlichen Leiteranordnung wie in 9 zeigt und

11 eine schematische Darstellung einer Leiteranordnung nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt.

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung zweier Windungen 5i eines elektrischen Leiters 3 in einem Teilausschnitt einer gewickelten Leiteranordnung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die beiden Windungen 5i des Leiters 3 sind jeweils in die inneren Bereiche von Abstandselementen 7 eingelegt, so dass die beiden gezeigten Abstandselemente 7 zusammenwirken, um die beiden Leiter 3 auf einem definierten Abstand d zu halten. Jedes der beiden gezeigten Leiterelemente 7 weist als Grundkörper ein länglich geformtes flaches Band 9 auf, welches auf seiner in 1 oben darstellten Oberfläche mit einer Vielzahl von länglich geformten Abstandshaltern 13 versehen ist, die hier als gerade Abstandstifte ausgebildet sind. Der vorgegebene Abstand d zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wicklungslagen ergibt sich daher als Summe der Dicke des flachen Bandes 9 und der Länge der Stifte 13 minus die Dicke des Leiters. In diesem Beispiel sind die Abstandsstifte 13 alle in etwa gleich lang. Das Abstandselement 7 ist so ausgestaltet, dass die Abstandshalterstifte 13 den elektrischen Leiter 3 über die Breite b9 des Bandes hinweg gesehen zu beiden Seiten flankieren. Auf diese Weise wird der elektrische Leiter 3 mit seiner geringeren Breite b3 innerhalb der Leiteranordnung 1 durch das Abstandselement 7 mechanisch stabil in diesem inneren Bereich gehalten und kann nicht in Querrichtung x aus der Wicklung rutschen.

Im Beispiel der 1 ist der mittlere Bereich, in dem der elektrische Leiter 3 angeordnet ist, frei von den länglichen Abstandshaltern 13. Dies ist aber nicht unbedingt nötig, alternativ können hier auch beispielsweise kürzere Abstandselemente angeordnet sein. Oder es können auch gleich lange Abstandselemente vorgesehen sein, auf denen der elektrische Leiter 3 gehalten werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform wäre es auch nicht nötig, dass das Band 9 des Abstandselements 7 breiter ist als der Leiter. Wenn der Leiter 3, wie in 1 dargestellt, zwischen seitlichen Abstandshaltern 13 gehalten wird, so muss er prinzipiell auch nicht unbedingt mittig angeordnet sein. Ebenfalls möglich ist auch eine nur einseitige Flankierung mit Abstandshaltern 13, bei denen also der elektrische Leiter beispielsweise zur anderen Seite in Querrichtung x hin frei zugänglich wäre.

Beim Beispiel der 1 sowie den beschriebenen Varianten sind die Abstandshalter 13 auf dem zugrundeliegenden Band 9 prinzipiell über die hier nicht gezeigte Längsrichtung des Bandes verteilt angeordnet. Sie können ebenfalls über die Breite verteilt sein, wie in 1 gezeigt. Prinzipiell kann aber auch auf jeder Seite es Leiters 3 auch nur eine Längsreihe von Abstandshaltern angeordnet sein. Unabhängig von der genauen Anzahl und Anordnung der Abstandshalter 13 in diesen beiden Raumrichtungen wird durch ihre Längsausdehnung senkrecht zur Oberfläche 11 des Leiters, von der sie abstehen, erreicht, dass die Leiteranordnung 1 eine seitlich offene Struktur ausbildet. Insbesondere bleibt die Leiteranordnung in der Querrichtung x so offen, dass sie in dieser Richtung von einem fluiden Kühlmittel durchströmbar ist. Dieses Kühlmittel kann in dieser Richtung zwischen den Abstandshaltern 13 hindurchfließen. Hierdurch kann eine effiziente Kühlung des elektrischen Leiters erreicht werden. Die gezeigte Querrichtung x entspricht dabei in der übergeordneten gewickelten Leiteranordnung 1, von der 1 nur einen kleinen Ausschnitt zeigt, der axialen Richtung. Dabei bezieht sich das Wort axial auf die Richtung der Wicklungsachse. Die radiale Richtung, die sich von der hier nicht dargestellten Wicklungsachse weg erstreckt, ist in 1 mit r bezeichnet. In dieser Richtung werden die einzelnen Windungen voneinander beabstandet.

Als fluides Kühlmittel zur Kühlung der Leiteranordnung kommen allgemein kryogene Kühlmittel wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium, flüssiges Neon oder flüssiger Wasserstoff in Frage oder aber auch Kühlflüssigkeiten wie Kühlöle, Kühlwasser oder Luft. Eine Kühlvorrichtung mit einem solchen Kühlmittel, beispielsweise zur Zirkulation in einem geschlossenen Kühlkreislauf, kann dabei ebenfalls allgemein Teil der Vorrichtung sein.

2 zeigt einen schematischen Querschnitt zweier Windungen 5i eines elektrischen Leiters 3 in einem Teilausschnitt einer gewickelten Leiteranordnung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Leiteranordnung 1 ist in vieler Hinsicht ähnlich aufgebaut wie die der 1, und gleiche oder ähnliche Elemente sind hier allgemein mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zur 1 sind hier jedoch die von dem Band 9 abstehenden Abstandshalter 13 nicht als gerade, zylindrische Stifte, sondern als sich von der Oberfläche 11 weg verjüngende Dornen ausgebildet. Hierdurch weisen die Abstandshalter 13 eine erhöhte mechanische Stabilität auf, ohne dabei die Durchströmbarkeit der Leiteranordnung mit Kühlmittel zu beeinträchtigen, insbesondere in der Querrichtung x.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt zweier Windungen 5i eines elektrischen Leiters 3 in einem Teilausschnitt einer gewickelten Leiteranordnung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese Leiteranordnung ist in vieler Hinsicht ähnlich aufgebaut wie die Leiteranordnungen der 1 und 2. Im Unterschied zu diesen sind hier jedoch die Abstandshalter 13 als leicht gekrümmte längliche Strukturen ausgebildet, die sich in der Art von Tentakeln von der Oberfläche 11 des zugrundelegenden Bandes 9 weg erstrecken. Durch die tentakelartige Krümmung dieser Abstandshalter 13 können diese elastisch federnd wirken und so insbesondere in radialer Richtung eine Federkraft ausüben. Ein weiterer Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist, dass im mittleren Bereich 16 des jeweiligen Abstandselements 7, in dem der elektrische Leiter 3 angeordnet ist, diese Abstandshalter 13 ebenfalls vorhanden sind. Sie sind nur entsprechend kürzer ausgebildet als die Abstandshalter 13 in den seitlichen Bereichen 15, so dass der elektrische Leiter in die dadurch entstehende Vertiefung eingebettet ist. Durch die spezielle Ausführung der Abstandshalter 13 wird der Leiter in radialer Richtung r federnd gehalten, was zum einen zu seiner mechanischen Stabilität und zum anderen zum Abfedern von thermischen Längenänderungen beitragen kann. Alternativ oder zusätzlich zu der in 3 dargestellten Form der Abstandselemente kann eine solche Federwirkung aber auch durch ein elastisches Material der Abstandshalter 13 bewirkt werden.

Ein weiterer Unterschied des dritten Ausführungsbeispiels zu den beiden vorherigen besteht darin, dass in 3 ein Wicklungsträger 17 gezeigt ist, von dem die Wicklung der elektrischen Leiteranordnung 1 getragen wird. Es sind hier also entsprechend die innersten beiden Windungen 5i einer solchen Wicklung dargestellt. Auch die Ausführungsformen der 1 und 2 können prinzipiell solche Wicklungsträger aufweisen, die aber in den gezeigten Ausschnitten nicht zu sehen sind. Der elektrische Leiter 3 der untersten Leiterwindung ist in diesem Beispiel durch die unterste Windung des Abstandselements 7 von dem Wicklungsträger 17 beabstandet. Der sich hierfür ergebende vorgegebene Abstand d ergibt sich hier aus der Dicke des Bandes 9 plus der Länge der jeweiligen kürzeren Abstandshalter 13a und ist identisch mit dem vorgegebenen Abstand d, der sich durch dasselbe Abstandselement 7 für die beiden aufeinanderfolgenden Windungen 5i des Leiters 3 ergibt. In allen Beispielen der 1 bis 3 ist dieser Leiter ein bandförmiger Leiter.

4 zeigt eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs des elektrischen Leiters 3 in einer Leiteranordnung 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine Aufsicht auf die Ebene des als Bandleiter ausgebildeten Leiters 3, welche parallel zur Ebene des Bandes 9 des Abstandselements 7 verläuft. Auch hier ist der elektrische Leiter 3 so in ein solches Abstandselement 7 eingebettet, dass er lateral von den Abstandshaltern 13 des Abstandselements flankiert wird. Dabei entspricht die Längsrichtung l des Bandleiters 3 im Wesentlichen der Längsrichtung des Bandes 9 des Abstandselements 7. Die auf diesem Band angeordneten Abstandshalter 13 können in ihrer Längsrichtung ähnlich geformt sein wie beispielsweise in den 1, 2 oder 3 gezeigt, also stiftartig, dornenartig oder tentakelartig. Im Beispiel der Figur weisen sie einen kreisförmigen Querschnitt auf, sie können aber auch auf anderen Querschnittsformen basieren. Insbesondere können sie sich prinzipiell auch in Querrichtung x weiter erstrecken als in Längsrichtung l des elektrischen Leiters, so dass sie auch Abstands-Querrippen darstellen können. Wesentlich ist nur, dass sie so über die Oberfläche des Bandes 9 verteilt sind, dass die Leiteranordnung 1 in Querrichtung x von Kühlmittel durchströmbar bleibt, wenn die Windungen durch das Abstandselement 7 voneinander beziehungsweise von einem darunterliegenden Wicklungsträger 17 beabstandet sind. Dazu können die Abstandshalter 13 prinzipiell entweder in einem regelmäßigen Muster oder auch – wie in 4 dargestellt – unregelmäßig über die Oberfläche des Bandes verteilt sein.

5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Leiteranordnung 1 nach einem fünften Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine Schnittansicht innerhalb der Wicklungsebene als Schnittebene. Es handelt sich hier bei der Leiteranordnung um eine Flachspule, bei der der elektrische Leiter 3 in einer einheitlichen, gleichbleibenden Wicklungsebene senkrecht zur Wicklungsachse A gewickelt ist. Er ist innerhalb dieser Wicklungsebene um einen zentralen Wicklungsträger 17 gewickelt. Dieser Wicklungsträger kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen, wobei die Zylinderachse der Wicklungsachse entspricht. Auch hier kann der Leiter 3 ein Bandleiter sein, der flach auf der Oberfläche des Wicklungsträgers aufgewickelt ist, so dass aufeinanderfolgende Windungen 5i ebenfalls flach übereinander zu liegen kommen. In 5 sind fünf Windungen gezeigt, die jedoch nur beispielhaft sind und stellvertretend auch für eine kleinere oder wesentlich größere Anzahl von Windungen in einer solchen Spulenwicklung stehen können.

Der elektrische Leiter 3 ist zusammen mit einem Abstandselement 7 so gewickelt, dass über die gesamte Länge des Leiters 3 hinweg die benachbarten Windungen durch dieses Abstandselement 7 voneinander beabstandet sind. Das Abstandselement 7 liegt auch unter der innersten Windung, so dass der Leiter auch von dem Wicklungsträger auf dem vorgegebenen Abstand d gehalten wird. Das Abstandselement kann dabei ähnlich ausgestaltet sein, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschrieben wurde. Obwohl das Abstandselement 7 über die ganze Leiterlänge hinweg benachbart zum Leiter 3 geführt ist, ist die gesamte Leiteranordnung 1 von einem fluiden Kühlmittel durchströmbar, bedingt durch die offene Struktur des Abstandselements. Eine solche Durchströmung kann insbesondere in einer Richtung parallel zur Wicklungsachse erfolgen, also senkrecht zur Papierebene der 5.

6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Leiteranordnung 1 nach einem sechsten Beispiel der Erfindung. Die Leiteranordnung ist im Wesentlichen ähnlich ausgebildet wie die der 5. Im Unterschied zu dieser ist das Abstandselement 7 jedoch nur in Teilbereichen zwischen die benachbarten Leiterwindungen 5i und unter die innerste Windung gelegt. Im gezeigten Beispiel ist das Abstandselement nur in den beiden Umfangssegmenten 19a vorhanden, während die beiden anderen Umfangssegmente 19b von dem Abstandselement frei sind. Eine solche Struktur ist noch offener für den Durchfluss von Kühlmittel, insbesondere in axialer Richtung. Dieser Vorteil wird jedoch mit einer etwas geringeren mechanischen Stabilität und etwas weniger präzisen Geometrie erkauft. Abhängig von der tatsächlichen Anwendung der Leiteranordnung 1 kann entsprechend entweder eine vollständige oder eine nur anteilige Ausfüllung der Zwischenbereiche mit Abstandshaltern 7 günstiger sein. Werden nur Teilbereiche mit Abstandshaltern gefüllt, so müssen dies auch nicht durchgehende Umfangssegmente 19a sein, wie in 6. Grundsätzlich sind auch andere – regelmäßige oder unregelmäßige – Abfolgen von Abstandselementen und freibleibenden Bereichen möglich.

7 zeigt drei Schritte 701, 702 und 703 eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens für ein Abstandselement 7 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Im ersten Schritt 701 liegt zunächst ein flaches, länglich geformtes Band 9 vor. Im Schritt 702 wird aus diesem flachen Band durch Pressen mit einem Stempel 21 gegen eine Pressform 23 die Form des fertigen Abstandsbandes 7 erzeugt, wie in Schritt 703 zu erkennen ist. Während des Pressschritts wird der Stempel 23 mit einer Presskraft 25 gegen das Band 9 und die Form 23 gepresst, wobei nach dem Pressen ein Lösen des Stempels durch eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgen kann. Die Pressform 23 ist mit länglichen Aussparungen 24 versehen, deren Form den zu erzeugenden länglichen Abstandshaltern 19 entspricht. Das fertige Abstandselement kann dann beispielsweise ähnlich wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschrieben ausgestaltet sein. Insbesondere sind unterschiedliche Querschnitte, Formen in Längsrichtung der Abstandshalter 13 und unterschiedliche Verteilungen auf der Oberfläche 11 des Bandes 9 möglich, was alles durch die Formgebung der Pressform 23 eingestellt werden kann. Mit dem beschriebenen Pressverfahren ist eine einfache Herstellung des fertigen Abstandselements 7 aus einem einheitlichen Material möglich. Das Material kann insbesondere einen Kunststoff, beispielsweise ein Polymer umfassen.

8 zeigt drei Schritte 801, 802 und 803 eines alternativen vorteilhaften Herstellungsverfahrens für ein Abstandselement 7 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Im ersten Schritt 801 liegt wiederum ein flaches, länglich geformtes Band 9 vor, und im dritten Schritt 803 liegt wiederum das fertige Abstandselement 7 vor, ähnlich wie in 7. Um Unterschied zum vorhergehenden Beispiel wird beim Schritt 802 der Formgebung aber eine Vakuumform 27 verwendet, die ähnlich wie die Pressform 23 der 7 mit zu den länglichen Abstandshaltern 7 passenden Aussparungen 28 versehen ist. Durch Anlegen eines Vakuums im Bereich der Vakuumform kann ein Ansaugdruck erzeugt werden, der in der Ansaugrichtung 29 wirkt. So kann, insbesondere bei geeigneter thermischer Vorbehandlung des flachen Bandes, eine Verformung unter Ausbildung der von dem Band abstehenden länglichen Abstandshalter 13 erfolgen. Als Material für das Abstandselement 7 ist hierbei insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff geeignet.

In 9 ist ein Schritt aus der Wicklung einer Leiteranordnung 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gezeigt. Bei der hier gerade entstehenden Leiteranordnung 1 handelt es sich um einen gewickelten Kondensator, bei dem mehrere band- oder folienartige Elemente zusammen aufgewickelt werden. Es wird zur Herstellung eines solchen herkömmlichen Wickel-Kondensators ein Stapel von mehreren solchen Folien zusammen aufgewickelt, wobei dieser Stapel typischerweise zwei elektrische Leiterfolien für die beiden „Platten“ des Kondensators und dazwischen liegende Isolatorfolien enthält. Bei einem herkömmlichen Wickelkondensator werden zur Isolation oft flache Kunststoff- oder auch Papierlagen verwendet. Bei dem Wickelkondensator nach der vorliegenden Erfindung ist dagegen wenigstens eine der konventionellen flachen Isolationsfolien durch ein Abstandselement 7 mit den vorab beschriebenen Eigenschaften ersetzt. In 9 sind beispielhaft für den Stapel an zu wickelnden Folien der Übersichtlichkeit halber nur drei Folien gezeigt, nämlich eine elektrisch leitende Folie 3, eine darunterliegende Isolatorfolie 35 und eine darüber liegende Folie, die als Abstandselement 7 ausgebildet ist. Wie vorab im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben, weist auch dieses Abstandselement ein flaches Band auf, welches mit einer Mehrzahl von davon abstehenden länglichen Abstandshaltern versehen ist.

In 10 ist ein Ausschnitt aus einem ähnlichen gewickelten Kondensator gezeigt, wie er als erfindungsgemäße Leiteranordnung 1 durch das in 9 skizzierte Wicklungsverfahren erzeugt werden kann. In der 10 wird deutlich, dass zwei elektrische Leiterfolien 3a und 3b miteinander gestapelt und in Querrichtung x so leicht gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass sie innerhalb der Wicklung jeweils zu einer Seite durch entsprechende elektrische Kontakte 31a und 31b kontaktiert werden können. Die benachbart liegenden Windungen der beiden unterschiedlichen Leiter 3a und 3b werden dabei durch das dazwischen gewickelte Abstandselement 7 so beabstandet, dass sich eine definierte Kondensatorgeometrie ergibt. Zusätzlich zu diesen Abstandselementen kann noch eine flache Isolationsfolie 35 im Stapel angeordnet sein, wie beispielsweise in 10 unterhalb der untersten Windung 5i des Leiters 3b gezeigt ist.

Auch in einem solchen gewickelten Kondensator kann das Abstandselement 7 verschiedene Ausgestaltungen aufweisen, wie schon vorab in allgemeiner Form beschrieben wurde. Für eine bestimmte Leiteranordnung ist dabei die Ausgestaltung des Abstandselements 7 typischerweise einheitlich. Nur um die Variationsmöglichkeiten zu verdeutlichen, sind aber in 10 für die verschiedenen Windungen des Abstandselements 7 beispielhaft verschiedene Konfigurationen gezeigt:
So ist in der in 10 oben dargestellten Windung ein Abstandselement 7 gezeigt, welches ein flaches Band 9 und auf seiner dem benachbarten Leiter 3a zugewandten Oberfläche eine Mehrzahl von federnden Abstandshaltern 13b aufweist, die ähnlich wie beim Beispiel der 3 tentakelartig geformt sein können. Diese Abstandshalter 13b sind dabei über die gesamte Oberfläche des flachen Bandes 9 verteilt und sind alle im Wesentlichen gleich oder ähnlich lang.

Für die in 10 als zweite von oben dargestellte Windung ist das Abstandselement 7 beispielhaft so ausgestaltet, dass ein flaches Band 9 mit geraden stiftartigen Abstandshaltern 13c versehen ist, ähnlich wie bei den vorhergehenden Beispielen der 1, 7 und 8. Auch hier sind diese Abstandsstifte über die gesamte Oberfläche des flachen Bandes 9 verteilt.

Für die in 10 als dritte von oben dargestellte Windung ist das Abstandselement 7 beispielhaft so ausgestaltet, dass ein flaches Band 9 mit dornenartigen Abstandshaltern 13d versehen ist, ähnlich wie bei dem vorhergehenden Beispiel der 2. Auch hier sind diese Abstandsstifte über die gesamte Oberfläche des flachen Bandes 9 verteilt.

Für die in 10 als vierte von oben dargestellte Windung ist das Abstandselement 7 beispielhaft als offenporig geschäumtes Kunststoffband ausgestaltet.

Alle beschriebenen beispielhaften Konfigurationen des Abstandselements ermöglichen eine Durchströmung der als Wickelkondensator ausgestalteten Leiteranordnung mit einem fluiden Kühlmittel, beispielsweise mit einem Kühlöl. Insbesondere kann eine solche Durchströmung auch hier in der Querrichtung x erfolgen, also in einer Richtung, die parallel zur Richtung der Wicklungsachse A des Wickelkondensators liegt.

11 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Leiteranordnung 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Gezeigt sind zwei Transformatorwicklungen 38a und 38b, die an gegenüberliegenden Schenkeln eines Transformatorkerns 37 angebracht sind. Die Stromflussrichtungen dieser beiden Wicklungen sind dabei durch entsprechende Pfeile angeordnet. Bei jeder dieser beiden Transformatorwicklungen 38a und 38b ist jeweils ein elektrischer Leiter 3a beziehungsweise 3b spiralförmig um den zugehörigen Schenkel des Transformatorkerns 37 gewickelt. Vor dem Herstellen der jeweiligen Wicklung wurde dabei der entsprechende Leiter 3a beziehungsweise 3b mit einem bandförmigen Abstandselement 7 umwickelt. Dieses Abstandselement weist dabei wiederum jeweils eine flache, bandförmige Grundstruktur 9 auf, die auf einer Oberfläche mit einer Vielzahl von abstehenden, länglichen Abstandshaltern 13 versehen ist. Durch helixartiges Umwickeln der Leiter mit diesen bandartigen Abstandselementen 13 wird erreicht, dass der jeweilige Leiter nicht direkt auf dem zugehörigen Schenkel des Transformatorkerns aufliegt, sondern so von diesem beabstandet ist, dass der Zwischenraum von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Bei einem solchen Kühlmittel kann es sich insbesondere um ein Transformatoröl handeln. Das Abstandselement 7 kann dabei insbesondere so um den jeweiligen Leiter gewickelt sein, dass die länglichen Abstandshalter sich vom Trägerband 9 aus gesehen von dem Leiter weg erstrecken, wie dies in 11 darstellt ist. Alternativ zu der beschriebenen Umwicklung kann ein Abstandselement 7 mit den beschriebenen Merkmalen auch um den betreffenden Transformatorschenkel gewickelt sein (dann bevorzugt mit nach außen abstehenden Abstandshaltern 13) oder als einfache Lage zumindest in einem Teilbereich zwischen Transformatorkern und Wicklung zwischengelegt sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 2041808 B1 [0005, 0013]
  • WO 2011/095199 A1 [0018]