Title:
Wicklungsträger für eine elektrische Spulenwicklung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird ein Wicklungsträger (3) für eine elektrische Spulenwicklung (1) angegeben mit
– einem Grundkörper (5) und
– einer einhüllende Außenfläche (13) mit einer im Wesentlichen ringförmigen Grundstruktur, die ausgestaltet ist, einen elektrischen Leiter (9) zu tragen, der in wenigstens einer Leiterwindung (10) zumindest in einem Teilbereich auf der Außenfläche (13) aufliegen kann,
und
– mit wenigstens einem Ausgleichselement (7a, 7b, 7c, 5), welches dazu ausgestaltet ist, durch eine mechanische Federbewegung den Umfang der Außenfläche (13) dem Umfang der wenigstens einen darauf aufliegenden Leiterwindung (10) anzupassen. Weiterhin wird eine elektrische Spuleneinrichtung (1) mit einem derartigen Wicklungsträger (3) und einer Spulenwicklung aus wenigstens einer Leiterwindung (10) eines elektrischen Leiters (9) angegeben,
wobei die wenigstens eine Leiterwindung (10) auf der Außenfläche (13) des Wicklungsträgers (3) aufliegt.





Inventors:
Batz, Otto (91359, Leutenbach, DE)
Bauer, Anne (90768, Fürth, DE)
Schacherer, Christian (91352, Hallerndorf, DE)
Application Number:
DE102016213755A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
07/27/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
H01F5/02
Domestic Patent References:
DE102015207861A1N/A2016-11-03
DE102011077457A1N/A2012-12-20
Foreign References:
WO2011095199A12011-08-11
Claims:
1. Wicklungsträger (3) für eine elektrische Spulenwicklung (1),
aufweisend
– einen Grundkörper (5),
– eine einhüllende Außenfläche (13) mit einer im Wesentlichen ringförmigen Grundstruktur, die ausgestaltet ist, einen elektrischen Leiter (9) zu tragen, der in wenigstens einer Leiterwindung (10) zumindest in einem Teilbereich auf der Außenfläche (13) aufliegen kann,
und
– wenigstens ein Ausgleichselement (7a, 7b, 7c, 5), welches dazu ausgestaltet ist, durch eine mechanische Federbewegung den Umfang der Außenfläche (13) dem Umfang der wenigstens einen darauf aufliegenden Leiterwindung (10) anzupassen.

2. Wicklungsträger (3) nach Anspruch 1, bei welchem das Ausgleichselement der Grundkörper (5) selbst ist oder als Teil (7b, 7c) des Grundkörpers ausgestaltet ist oder ein mit diesem mechanisch fest verbundenes Element (7a) ist.

3. Wicklungsträger (3) nach Anspruch 1 oder 2,
– bei welchem der Grundkörper (5) selbst das Ausgleichselement darstellt,
– wobei der Grundkörper (5) ringförmig ist und in seiner Umfangsrichtung eine Unterbrechung (23) aufweist,
– so dass der Grundkörper (5) eine federnde Bewegung ausführen kann, bei der der Anteil (l) der Unterbrechung (23) am Umfang der ringförmigen Außenfläche (13) variiert.

4. Wicklungsträger (3) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das wenigstens eine Ausgleichselement (7a, 7b, 7c) dazu ausgestaltet ist, eine Federkraft (F) auszuüben, welche in radialer Richtung wirkt.

5. Wicklungsträger (3) nach Anspruch 4, welcher mehrere Ausgleichselemente (7a, 7b, 7c) aufweist, die über den Umfang der ringförmigen Außenfläche (13) verteilt angeordnet sind.

6. Wicklungsträger (3) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem das wenigstens eine Ausgleichselement (7b, 7c) als federnde Lamelle ausgestaltet ist, die auf einer radial außenliegenden Seite des Grundkörpers (5) angeordnet ist.

7. Wicklungsträger (3) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem das wenigstens eine Ausgleichselement (7a) als federnde Auflage ausgestaltet ist, welche auf zumindest einem Teil des Umfangs der ringförmigen Außenfläche (13) angeordnet ist.

8. Wicklungsträger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material des Grundkörpers (5) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 28 × 10–6 1/K aufweist.

9. Wicklungsträger (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Grundkörper (5) als einstückiger ringförmiger Körper ausgebildet ist.

10. Wicklungsträger (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei welchem das wenigstens eine Ausgleichselement (7a) als separates Element in einer Aussparung (19) des Grundkörpers (5) angeordnet ist.

11. Elektrische Spuleneinrichtung (1) mit einem Wicklungsträger (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einer Spulenwicklung aus wenigstens einer Leiterwindung (10) eines elektrischen Leiters (9), wobei die wenigstens eine Leiterwindung (10) auf der Außenfläche (13) des Wicklungsträgers (3) aufliegt.

12. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 11, bei welcher der elektrische Leiter (9) ein supraleitender Leiter ist.

13. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 12, bei welcher der elektrische Leiter (9) ein hochtemperatursupraleitender Bandleiter ist.

14. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welcher die Spulenwicklung als Kurzschlussspule ausgestaltet ist.

15. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welche zwischen einer und fünf Windungen (10) des elektrischen Leiters (9) aufweist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wicklungsträger für eine elektrische Spulenwicklung, wobei der Wicklungsträger eine Außenfläche mit einer im Wesentlichen ringförmigen Grundstruktur aufweist, die ausgestaltet ist, einen elektrischen Leiter zu tragen, der in wenigstens einer Leiterwindung zumindest in Teilbereichen auf der Außenfläche aufliegen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Spuleneinrichtung mit einem solchen Wicklungsträger.

Nach dem Stand der Technik sind typische Wicklungsträger für elektrische Spulen als zylindrische Körper mit einer durchgehenden zylindermantelförmigen Außenfläche gebildet, so dass der zu wickelnde elektrische Leiter auf diese Außenfläche in einer oder mehreren Wicklungslagen aufliegen kann. Solche zylindrischen Wicklungsträger können beispielsweise kreiszylindrisch sein oder aber auch andere Querschnittsformen aufweisen. Werden die einzelnen Wicklungslagen in einer gemeinsamen Wicklungsebene übereinander angeordnet, so spricht man von einer Flachspule. 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 Bandleiterabschnitt der einzelnen Wicklungslagen flach aufeinander liegen.

Ein anderer bekannter Typ einer supraleitenden Spule ist beispielsweise durch die Abschirmspule eines induktiven Strombegrenzers gegeben, die insbesondere als kurzgeschlossene Spule mit nur einer Windung vorliegen kann und typischerweise, aber nicht zwingend, innerhalb einer Drosselspule angeordnet ist. Durch den Übergang der supraleitenden Abschirmspule in den normalleitenden Zustand bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes in der Drosselspule kann hiermit die Impedanz der Drosselspule stark variiert werden, wie beispielsweise in der WO 2011/095199A1 beschrieben wird.

Ein grundlegendes Problem bei den bekannten Spulen ist, dass durch Temperaturänderungen Änderungen am Umfang der Spulenwicklung auftreten können. Solche Umfangsänderungen können zu starken mechanischen Belastungen des elektrischen Leiters führen, die insbesondere bei empfindlichen supraleitenden Materialien leicht zu einer Schädigung des Leiters führen können. Die Temperaturänderungen können beispielsweise bei supraleitenden Spulen durch die Abkühlung der Spulenwicklung von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters bewirkt werden. Bei der Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryogene Temperatur zwischen 4 K und etwa 79 K kann sich beispielsweise durch thermische Schrumpfung der Umfang einer supraleitenden Spulenwicklung von einem oder mehreren Metern Durchmesser um mehrere Promille, also damit um einige Millimeter verringern. Dies führt zu einer starken mechanischen Belastung des Supraleiters. Aber auch bei normalleitenden Spulen können starke Temperaturänderungen beim Erreichen der Betriebstemperatur auftreten, beispielsweise wenn es durch den Betrieb selbst zu einer Erwärmung der Spulenwicklung kommt. Die mechanische Belastung des elektrischen Leiters durch Temperaturänderungen ist allgemein besonders groß, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wicklungsträger und elektrischem Leiter stark unterschiedlich sind oder wenn die Wärmekapazitäten (nicht zwingend die spezifischen Wärmekapazitäten) stark unterschiedlich sind, da es dann zu differentiellen Spannungen zwischen diesen Elementen kommt.

Wenn beispielsweise bei einer Abkühlung der Wicklungsträger schwächer und/oder langsamer schrumpft als der darauf aufliegende elektrische Leiter, kommt es (zumindest temporär) zu einer mechanischen Dehnungsbelastung des Leiters, durch die der Leiter geschädigt werden kann. Wenn dagegen der Wicklungsträger stärker und/oder schneller schrumpft als der darauf aufliegende elektrische Leiter, dann kann es zu einem Verlust der Haltefunktion des Wicklungsträgers kommen, und der darauf gehaltene elektrische Leiter kann verrutschen. Insbesondere kann er in einer axialen Richtung aus dem Wicklungsverbund herausrutschen, was im schlimmsten Fall zu einer Auflösung des Wicklungsverbundes führen kann. Entsprechend umgekehrt sind die Verhältnisse bei einer Erwärmung der Spulenwicklung, wo sich auch eine starke thermische Ausdehnung des Leiters (und insbesondere ein stark unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen Leiter und Wicklungsträger) nachteilig auf die Stabilität des Leiters und/oder des Wicklungsverbundes auswirken kann.

Um die Probleme der thermischen Längenänderung der Leiter in solchen Spulenwicklungen abzumildern, sind bei bekannten Spulenwicklungen verschiedene Wege beschritten worden. Wie in der DE 10 2011 077 457 A1 beschrieben, kann ein Bandleiter beispielsweise so auf einen zylindrischen Wicklungsträger aufgewickelt werden, dass auch bei Abkühlung auf eine kryogene Temperatur ein positiver radialer Druck zwischen den Lagen der Spulenwicklung bestehen bleibt. Hierzu können beispielsweise die Materialien so gewählt werden, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Wicklungsträgers geringer ist als der des Bandleiters entlang seiner Längsrichtung. Weiterhin kann der Wickelzug so groß gewählt werden, dass die resultierende Vordehnung des Bandleiters die differentielle Schrumpfung übersteigt. Alternativ kann die Wicklung nur schwach oder gar nicht mit dem Wicklungsträger verbunden sein, so dass die Spule nach dem Herstellen der Wicklung auf einen anderen Wicklungsträger transferiert werden kann. Dies kann ein radial außenliegender Wicklungsträger sein.

In der DE 10 2015 207 861 A1 wird eine alternative Maßnahme beschrieben, um dem Problem der differenziellen thermischen Schrumpfung oder Ausdehnung entgegenzuwirken: Der hier beschriebene Wicklungsträger der Spulenwicklung weist eine Einbuchtung auf, in der wenigstens ein Teilabschnitt des elektrischen Leiters der aufliegenden Leiterwindung angeordnet ist. Die Spuleneinrichtung weist ein zusätzliches Federelement auf, um den Teilabschnitt des Leiters im Bereich der Einbuchtung unter Spannung zu halten.

Durch die beschriebenen Maßnahmen die mechanische Belastung des Leiters durch die thermische Längenänderung zwar verringert werden, das Problem ist jedoch nicht vollständig gelöst. Insbesondere bei großen Wicklungen mit äußeren Abmessungen von einem Meter oder mehr kann es trotzdem leicht zu einer Schädigung des Leiters und/oder einer Lockerung der Wicklung kommen. Vor allem für trocken gewickelte Spulen, bei denen die einzelnen Windungen nicht durch ein Klebemittel oder Vergussmittel untereinander und/oder mit dem Wicklungsträger fixiert sind, besteht ein Bedarf für weitere Maßnahmen, um die negativen Effekte von thermischen Längenänderungen des Leiters bei Änderung der Spulentemperatur zu reduzieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wicklungsträger anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Wicklungsträger zur Verfügung gestellt werden, welcher den mechanischen Auswirkungen einer thermischen Längenänderung des elektrischen Leiters entgegenwirkt. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Spuleneinrichtung mit einem solchen Wicklungsträger anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Wicklungsträger und die in Anspruch 11 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung gelöst.

Der erfindungsgemäße Wicklungsträger ist als Wicklungsträger für eine elektrische Spulenwicklung ausgestaltet. Er weist einen Grundkörper und eine einhüllende Außenfläche mit einer im Wesentlichen ringförmigen Grundstruktur auf, die ausgestaltet ist, einen elektrischen Leiter zu tragen, der in wenigstens einer Leiterwindung zumindest in einem Teilbereich auf der Außenfläche aufliegen kann. Ferner weist der Wicklungsträger wenigstens ein Ausgleichselement auf, welches dazu ausgestaltet ist, durch eine mechanische Federbewegung den Umfang der Außenfläche dem Umfang der wenigstens einen darauf aufliegenden Leiterwindung anzupassen.

Unter der genannten Außenfläche soll im vorliegenden Zusammenhang eine gedachte, ringförmig umlaufende Fläche verstanden werden, auf der der elektrische Leiter zumindest für die unterste Wicklung angeordnet sein kann. Es kann sich dabei beispielsweise um die Mantelfläche eines Zylinders handeln, auf der ein beispielsweise bandförmiger Leiter flach aufliegen kann. Diese Außenfläche entspricht weitgehend einer außenliegenden Oberfläche des Wicklungsträgers, soll aber in ihrem Verlauf nicht durch einzelne Unterbrechungen und/oder Aussparungen in der Oberfläche des Wicklungsträgers unterbrochen werden. Mit anderen Worten kann diese äußere Oberfläche als Einhüllende für die äußere Kontur des Wicklungsträgers verstanden werden. Der genannte Umfang der Außenfläche soll dabei der Länge des elektrischen Leiters entsprechen, der in einer direkt auf dem Wicklungsträger aufliegenden Windung auf der äußeren Oberfläche angeordnet ist und dabei eventuelle Unterbrechungen und/oder Aussparungen überbrückt. Der elektrische Leiter und damit die „einhüllende Außenfläche“ müssen also mit anderen Worten nicht durchgehend auf der tatsächlichen Oberfläche des Wicklungsträgers aufliegen.

Die genannte Außenfläche soll dabei eine radial außenliegende Fläche des Wicklungsträgers sein. Bei Wicklungsträgern mit nicht kreisförmigen Grundflächen soll dabei unter dem Begriff „radial“ eine entsprechende senkrecht zu einer zentralen Wicklungsachse und senkrecht zu einer lokalen Tangente liegende Richtung verstanden werden. Die Form des Wicklungsträgers soll durch diesen Begriff also nicht auf eine kreisförmige Grundform eingeschränkt sein.

Wesentlich ist, dass der Wicklungsträger eine ringförmig umlaufende Außenfläche nach der obenstehenden Definition einer „einhüllenden Außenfläche“ aufweist. Dabei kann der Grundkörper des Wicklungsträgers entweder selbst eine ringförmige Struktur aufweisen oder er kann eine massive Struktur, also beispielsweise die Form eines massiven Zylinders ohne Öffnung im Zentrum aufweisen. Bei einem ringförmigen Grundkörper muss der Ring nicht zwangsläufig geschlossen sein, wesentlich ist nur, dass sich für die beschriebene „einhüllende Außenfläche“ eine ringförmige Struktur ergibt.

Das beschriebene wenigstens eine Ausgleichselement kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Wesentlich ist nur, dass es in der Lage ist, durch eine federnde, also elastische Bewegung den Umfang der einhüllenden Außenfläche einer beispielsweise thermisch bedingten Umfangsänderung einer darauf angeordneten Leiterwindung anzupassen. Verschiedene Ausführungsformen dieses Ausgleichselements werden im Zusammenhang mit den Unteransprüche und Beispielen deutlich.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers liegt darin, dass durch die Wirkung des wenigstens einen Ausgleichselements eine thermisch bedingte Umfangsänderung der wenigstens einen Leiterwindung abgefedert werden kann. Damit kann zum einen die mechanische Belastung des Leiters durch ein differentielles thermisches Schrumpfen des Leiters auf dem Wicklungsträger (und/oder durch eine differentielle thermische Ausdehnung des Wicklungsträgers unter dem Leiter) reduziert werden. Zum anderen kann das Risiko reduziert werden, dass durch eine umgekehrte Längenänderung (also durch eine differentielle thermische Ausdehnung des Leiters auf dem Wicklungsträger und/oder durch eine differentielle thermische Schrumpfung des Wicklungsträgers unter dem Leiter) der Halt der Windung(en) auf dem Wicklungsträger gelockert wird. So kann insgesamt die mechanische Stabilität einer auf dem Wicklungsträger angeordneten Spulenwicklung verbessert werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung weist einen erfindungsgemäßen Wicklungsträger und wenigstens eine Leiterwindung eines elektrischen Leiters auf, wobei die wenigstens eine Leiterwindung auf der Außenfläche des Wicklungsträgers aufliegt. Analog zu den Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Wicklungsträger muss auch hier der Leiter nicht durchgehend auf der tatsächlichen Oberfläche des Wicklungsträgers aufliegenden, sondern er ist vielmehr auf der einhüllenden Außenfläche des Wicklungsträgers angeordnet. Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Spuleneinrichtung ergeben sich analog zu den oben angegebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Wicklungsträgers.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 11 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Wicklungsträgers und der elektrischen Spuleneinrichtung vorteilhaft miteinander kombiniert werden.

So kann das Ausgleichselement vorteilhaft entweder der Grundkörper selbst sein oder als Teil des Grundkörpers ausgestaltet sein oder mit diesem mechanisch fest verbunden sein. Mit anderen Worten kann das Ausgleichselement integraler Bestandteil des Wicklungsträgers sein. Dies hat den Vorteil, dass dann der Wicklungsträger insgesamt eine hohe mechanische Stabilität aufweist, und so als stabile Struktur der darauf aufliegenden Windung Halt geben kann, wobei der Umfang der Außenfläche wie oben beschrieben variabel ist.

Alternativ ist es allgemein aber auch möglich, dass das wenigstens eine Ausgleichselement als separates Element in einer Aussparung des Grundkörpers angeordnet ist. Beispielsweise kann diese Aussparung eine Nut oder ein Loch in der Außenfläche des Grundkörpers sein, in den ein federndes Element eingelegt oder eingesteckt ist. Bei dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine Ausgleichselement entweder mit dem Grundkörper mechanisch fest verbunden sein, oder es kann alternativ auch nur lose in die Aussparung eingelegt oder eingesteckt sein. Im letzteren Fall ergibt sich dann dadurch innerhalb der Spuleneinrichtung ein mechanisch fester Verbund, dass das wenigstens eine Ausgleichselement durch die auf dem Wicklungsträger aufliegende Leiterwindung gegen den Grundkörper fixiert wird.

Unabhängig davon, ob das separate Ausgleichselement nur lose eingelegt ist oder fest mit dem Grundkörper verbunden ist, ergibt sich in jedem Fall die einhüllende Außenfläche des Wicklungsträgers als gemeinsame Einhüllende von Grundkörper und Ausgleichselement(en).

Der Grundkörper kann vorteilhaft selbst das Ausgleichselement darstellen. Dabei kann dieser Grundkörper ringförmig sein und in seiner Umfangsrichtung eine Unterbrechung aufweisen, so dass der Grundkörper eine federnde Bewegung ausführen kann, bei der der Anteil der Unterbrechung am Umfang der ringförmigen Außenfläche variiert. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Grundkörper um einen Ring mit einer Öffnung handeln, bei dem der Ring selbst als Feder wirkt, so dass die Größe der Öffnung dieser Ringfeder variabel ist. Die einhüllende Außenfläche eines solchen Grundkörpers schließt, wie weiter oben erläutert, den Abschnitt der Ringöffnung mit ein, so dass durch ein federndes Öffnen und Schließen des Grundkörpers der Umfang dieser Außenfläche variiert werden kann und sich somit auch einer thermischen Längenänderung einer aufliegenden Leiterwindung anpassen kann. Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass keine separaten federnden Elemente zusätzlich zum Grundkörper nötig sind und der Wicklungsträger daher relativ einfach herstellbar ist. Durch die federnde Wirkung des Grundkörpers kommt bei dieser Ausführungsform eine Federkraft zustande, welche entlang einer Umfangsrichtung der Außenfläche und somit der Leiterwindung wirkt – mit anderen Worten tangential. Durch diese Art der Federung kann also die Länge des Umfangs vorteilhaft sehr direkt variiert werden.

Alternativ oder auch zusätzlich zu der beschriebenen Federung in Umfangsrichtung kann wenigstens ein Ausgleichselement dazu ausgestaltet sein, eine Federkraft auszuüben, welche in radialer Richtung, also senkrecht zu einer zentralen Wicklungsachse und auch senkrecht zur lokalen Umfangsrichtung wirkt. Die Federkraft soll also zumindest eine Richtungskomponente entlang einer solchen radialen Richtung aufweisen. Besonders vorteilhaft kann ein überwiegender Richtungsanteil der Federkraft in radialer Richtung wirken.

Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsformen mit einer solchen Federung liegt darin, dass durch eine Federbewegung in radialer Richtung auch der Länge des Umfangs der Außenfläche variiert werden kann und zwar ohne einen radial weiter innenliegenden Teil des Wicklungsträgers mit bewegen zu müssen. Besonders vorteilhaft kann daher ein solches in radialer Richtung wirkendes Federelement in einem radial außenliegenden Bereich des Grundkörpers des Wicklungsträgers angeordnet sein. Der weiter radial innenliegende Bereich des Grundkörpers ist dann vorteilhaft so ausgestaltet, dass er in die Federbewegung nicht mit einbezogen ist. Die Federbewegung des außen angeordneten, wenigstens einen Federelements, bewirkt dann eine Art „Atmen“ des Wicklungsträgers in seinem außenliegenden Bereich, was durch die Vergrößerung des Querschnitts des Wicklungsträgers zwangsläufig auch eine Vergrößerung des Umfangs der Außenfläche bewirkt.

Bei einem Ausgleichselement mit in radialer Richtung wirkender Federung kann der Federweg in dieser radialen Richtung vorteilhaft wenigstens 0,3 ‰ (Promille) des Durchmessers, insbesondere zwischen 1 ‰ und 3 ‰ des Durchmessers betragen. Ein derartiger Federweg ist besonders geeignet, um die in einer elektrischen Spulenwicklung auftretenden Längenänderungen wirksam abfangen zu können, insbesondere für eine Betriebstemperatur im Bereich von etwa 77 K.

Insbesondere bei der Ausführungsform mit einem in radialer Richtung federnden Ausgleichselement kann der Wicklungsträger vorteilhaft mehrere solche Ausgleichselemente aufweisen, die über den Umfang der ringförmigen Außenfläche verteilt angeordnet sind. Der Vorteil einer solchen Mehrzahl von Ausgleichselementen ist, dass hierdurch ein gleichmäßiges „Atmen“ des Wicklungsträgers ermöglicht wird mit reduzierter tangentialer Relativbewegung des Leiters zu den Ausgleichselementen beziehungsweise der Außenfläche des Wicklungsträgers. Mit anderen Worten wird der Umfang der Außenfläche dadurch variiert, dass der Wicklungsträger an mehreren Stellen seine radiale Ausdehnung ändert. Hierdurch kann die Anpassung des Umfangs des Wicklungsträges an eine Umfangsänderung der aufliegenden Leiterwindung besonders gleichmäßig erfolgen. Insbesondere können sich bei einer derartigen Ausführungsform der Umfang der Außenfläche des Wicklungsträgers und der Umfang der Leiterwindung gemeinsam ändern, ohne dass ein starkes Entlangrutschen des Leiters in Umfangsrichtung auf der Außenfläche nötig ist. Um eine solche gleichmäßige Umfangsanpassung zu ermöglichen, können beispielsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 6 solcher Ausgleichselemente auf dem Umfang des Wicklungsträgers verteilt sein.

Vorteilhaft kann das wenigstens eine Ausgleichselement als federnde Lamelle ausgestaltet sein die auf einer radial außenliegenden Seite des Grundkörpers angeordnet ist. Eine solche Lamelle kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass sie eine Federkraft mit einer Hauptkomponente in radialer Richtung ausüben kann. Es kann sich also um eine Art Blattfeder handeln, bei der das Blatt beziehungsweise die federnde Lamelle in radialer Richtung nach außen und innen beweglich ist. Besonders vorteilhaft können mehrere derartige Lamellen auf dem äußeren Umfang des Grundkörpers angeordnet sein.

Bei der Ausführungsform mit Federlamelle(n) wird die zum Halten der Leiterwindung relevante Außenfläche dann teils durch die Lamelle(n) und teils durch die übrigen Außenbereiche des Grundkörpers gebildet. Bei sehr dicht stehenden Lamellen ist es auch möglich, dass die Leiterwindung ausschließlich auf den Lamellen aufliegt. Durch ein radiales Ausdehnen oder Zusammenziehen der Lamellen wird hier wiederum ein „Atmen“ des Wicklungsträgers ermöglicht, was zu einer Anpassung an Veränderungen im Umfang der Leiterwindung führt.

Das als Lamelle ausgebildete Ausgleichselement kann insbesondere länglich geformt sein und sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken. Eine solche längliche Lamelle kann entweder einseitig oder auch beidseitig fixiert sein. Bei einseitiger Fixierung kann sich das von der Fixierung abgewandte Ende der Lamelle entsprechend relativ frei bewegen. Es kann entsprechend der Federstellung entweder relativ eng an dem Grundkörper des Wicklungsträgers anliegen oder relativ weit nach radial außen von diesem abstehen. Bei zweiseitiger Fixierung dagegen findet sich der radial bewegliche Teil der Lamelle vor allem im mittleren Teil zwischen den beiden Fixierungspunkten.

Ein als Lamelle ausgebildetes Ausgleichselement kann vorteilhaft einstückig mit dem Grundkörper des Wicklungsträgers ausgestaltet sein. Eine solche Ausführungsform ermöglicht eine relativ einfache Herstellung des Wicklungsträgers. Beispielsweise kann eine solche Lamelle durch eine entsprechende Einfräsung im Ausgangskörper des Wicklungsträgers erzeugt werden. Alternativ kann eine solche Lamelle aber auch als separates Element ausgestaltet werden, welches beispielsweise mechanisch fest mit dem Grundkörper verbunden sein kann oder auch in eine passende Aussparung des Grundkörpers eingesteckt sein kann. Bei einer derartigen Variante kann vorteilhaft das Material der Lamelle unabhängig vom Material des Grundkörpers gewählt und an die gewünschten Federeigenschaften angepasst werden.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung mit Lamellen kann wenigstens ein Ausgleichselement als federnde Auflage ausgestaltet sein, welche auf zumindest einem Teil des Umfangs der ringförmigen Außenfläche angeordnet ist. Insbesondere kann eine solche federnde Auflage mit einer radial außenliegenden Fläche des Grundkörpers verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben. Alternativ ist es aber auch möglich, dass eine solche Auflage nur lose auf einer solchen Fläche des Grundkörpers aufliegt oder formschlüssig in eine hierfür vorgesehene Aussparung, beispielsweise in eine Nut eingelegt ist. Ein mechanisch fester Verbund mit dem Wicklungsträger kann dann dadurch erzeugt werden, dass die auf die federnde Auflage folgende Leiterwindung die Auflage an den Grundkörper des Wicklungsträgers drückt.

Unabhängig von der genauen Art der Befestigung der federnden Auflage an dem Wicklungsträger ist es ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass eine solche Auflage auf einfache Weise eine Anpassung der Oberfläche und somit des Umfangs des Wicklungsträgers an einen variablen Umfang der aufliegenden Leiterwindung ermöglicht. Insbesondere muss der Grundkörper selbst dann nicht federnd ausgestaltet werden, sondern die federnde Wirkung wird durch die Auflage als separat ausgestaltetes Element erreicht. Hierdurch wird die Wahl der Materialien für den Grundkörper und das Ausgleichselement (hier in Form der Auflage) vorteilhaft entkoppelt.

Die federnde Auflage kann wiederum so ausgestaltet ein, dass sie die Ausbildung einer Federkraft und somit einer federnden Bewegung in hauptsächlich radialer Richtung erlaubt. Die federnde Auflage kann auch eine Mehrzahl von federnden Teilelementen aufweisen, die jeweils die Ausbildung einer solchen Federkraft ermöglichen.

Vorteilhaft können mehrere federnde Auflagen an mehreren Umfangssegmenten des Grundkörpers angeordnet sein, um eine gleichmäßige Anpassung des Umfangs des Wicklungsträgers zu erzielen. Alternativ kann auch eine federnde Auflage – insbesondere mit mehreren federnden Teilelementen – so angeordnet sein, dass sie sich über den gesamten Umfang des Wicklungskörpers erstreckt.

Die federnde Auflage kann beispielsweise ein Band, insbesondere ein gewelltes Band sein, auf der die Leiterwindung aufliegen kann. Alternativ zu der Wellenform kann das Band auch als mit federnden Stacheln oder anderen elastischen Federelementen versehendes Band ausgestaltet sein. Das Band kann auch in sich elastisch sein, beispielsweise dadurch, dass es als Schaumstoffband ausgeführt ist. Allgemein kann die federnde Auflage vorteilhaft aus Kunststoff ausgebildet sein. Dies ist günstig, um eine gute elastische Federung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation zu erzielen.

Vorteilhaft kann das Material des Grundkörpers einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 28 × 10–6 1/K aufweisen. Insbesondere kann das Material des Grundkörpers eine Invar-Legierung, einen glasfaserverstärkten Kunststoff und/oder ein Kunstharzpressholz umfassen. Ein verglichen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Leiters niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient des Grundkörpers ist allgemein vorteilhaft, um die mechanischen Spannungen in der fertigen Spuleneinrichtung bei Temperaturänderungen zu reduzieren, denn meist werden die Größenänderungen maßgeblich durch die Änderungen des Wicklungsträgers mitbestimmt, da dieser oft einen größeren Materialquerschnitt aufweist als ein darauf aufliegender elektrischer Leiter. Dies ist insbesondere für Spulenwicklungen mit nur einer oder nur wenigen Windungen der Fall.

Der Grundkörper des Wicklungsträgers kann vorteilhaft als einstückiger ringförmiger Körper ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Grundkörper so ausgestaltet sein, dass er nicht in einzelne Umfangssegmente aufgeteilt ist. Eine solche Segmentierung in einzelne Umfangssegmente würde auch eine Anpassung an einen veränderlichen Umfang der aufliegenden Leiterwindung ermöglichen, indem die relative Lage der Segmente zueinander leicht variiert wird. Dies erfordert aber ein manuelles Nachjustieren, was deutlich aufwendiger ist als die automatische Anpassung des Umfangs durch die Federwirkung entsprechend der vorliegenden Erfindung. Eine Segmentierung des Grundkörpers in Umfangsrichtung wird durch die Ausgestaltung mit einem federnden Ausgleichselement also überflüssig. Die Ausführungsform des Grundkörpers als einstückiger Ring ist insbesondere wesentlich einfacher zu fertigen als ein in Umfangsrichtung segmentierter Ring.

Der Wicklungsträger kann vorteilhaft ein oder mehrere Anschlagelemente umfassen, die zur Führung eines auf der Außenfläche aufliegenden elektrischen Leiters ausgebildet sind.

Insbesondere kann ein solches Anschlagelement zur seitlichen Begrenzung des Leiters, also zu einer Begrenzung seiner Bewegung in axialer Richtung ausgestaltet sein. Unter der axialen Richtung soll hierbei die Richtung einer zentralen Wicklungsachse des Wicklungsträgers und der Spulenwicklung verstanden werden. Es können also beispielsweise Anschlagrippen und/oder Anschlagscheiben vorgesehen sein, durch die der Leiter gehalten wird beziehungsweise durch die mehrere solche Leiter separiert werden.

Bei der elektrischen Spuleneinrichtung kann der elektrische Leiter ein supraleitender Leiter sein. Eine solche supraleitende Spuleneinrichtung unterliegt besonders starken Temperaturveränderungen, da sie zu ihrem Betrieb auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden muss. 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 Spulen signifikante Temperaturänderungen auftreten können, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wicklungsträgers vorteilhaft ausgeglichen werden können. Bei normalleitenden Spuleneinrichtungen sind dies insbesondere Längenänderungen in Form von Ausdehnungen bei einer Erwärmung der Spuleneinrichtung während ihres Betriebs.

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. Ein solcher bandförmiger Leiter kann flach auf der Außenfläche des Wicklungsträgers aufliegen. Bandleiter, bei denen ein normalleitendes Substrat mit einer HTS-Schicht beschichtet ist, sind besonders empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, die durch thermische Längenänderungen zustande kommen können. 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.

Die elektrische Spulenwicklung der Spuleneinrichtung kann vorteilhaft als Kurzschlussspule ausgestaltet sein. Eine solche Kurzschlussspule kann insbesondere als Abschirmspule in einem induktiven Strombegrenzer ausgestaltet sein. So ist die Erfindung ebenfalls auf einen induktiven Strombegrenzer mit einer solchen als Kurzschlussspule ausgestalteten Abschirmspule gerichtet.

Eine solche Kurzschlussspule kann insbesondere nur eine Leiterwindung oder nur wenige, insbesondere zwischen einer und fünf, Leiterwindungen aufweisen. Die Spuleneinrichtung kann auch mehrere jeweils als Kurzschlussspulen ausgebildete Spulenwicklungen aufweisen, von denen beispielsweise jede nur eine Leiterwindung umfasst. Solch eine Mehrzahl von in sich kurzgeschlossenen Windungen kann beispielsweise als axial zueinander benachbarte Anordnung und/oder als radial zueinander benachbarte Anordnung ausgestaltet sein. Mit anderen Worten können mehrere Kurzschlussspulen entlang der Richtung der Wicklungsachse oder als mehrere Windungslagen übereinander gewickelt angeordnet sein.

Alternativ zu der genannten Ausführungsform als Kurzschlussspule kann die Spulenwicklung auch Stromkontakte an den Leiterenden zur Verbindung der Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis aufweisen.

Bei der elektrischen Spulenwicklung kann es sich allgemein vorteilhaft um eine trockene Spulenwicklung handeln. Unter einer trockenen Spulenwicklung soll dabei eine Wicklung verstanden werden, bei der die einzelnen Windungen des Leiters untereinander sowie mit die wenigstens eine Windung mit dem Wicklungsträger nicht mit einem Kleber oder einem Vergussmittel verklebt oder vergossen sind. Bei einer solchen trocken gewickelten Spule wird die wenigstens eine Leiterwindung also nur durch Formschluss und mechanische Kräfte im Wicklungsverbund gehalten. Bei einer solchen Spule ist es besonders gut möglich, Änderungen im Umfang des Leiters durch Änderungen im Umfang der Außenfläche des Wicklungsträgers auszugleichen, da die wenigstens eine Leiterwindung und der Wicklungsträger (sowie eventuell aufeinander liegende Leiterwindungen untereinander) relativ frei gegeneinander beweglich sind. Die durch die Längenänderungen verursachten mechanischen Spannungen im Leiter können sich dann also durch ein insbesondere tangentiales „Nachrutschen“ auf dem Wicklungsträger besonders gut ausgleichen.

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Windung des elektrischen Leiters derart mit einer Vorspannung auf dem Wicklungsträger aufgebracht sein, dass sich das wenigstens eine federnde Ausgleichselement in einem mittleren Bereich seines Federweges befindet. Mit anderen Worten soll die Feder dieses Ausgleichselements weder ganz eingefedert, noch ganz ausgefedert sein, so dass Längenänderungen des Leiters in beide Richtungen durch ein Nachfedern kompensiert werden können. So kann sowohl eine Ausdehnung als auch eine Schrumpfung des elektrischen Leiters auf dem Wicklungsträger automatisch ausgeglichen werden.

Der Wicklungsträger und damit auch die elektrische Spuleneinrichtung kann vorteilhaft eine allgemein zylindrische Grundform aufweisen. Unter einem geraden Zylinder soll hier nach der allgemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Die Grundform kann 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.

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

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spuleneinrichtung zeigt,

2 eine Vergrößerung eines Teils der Spuleneinrichtung aus 1 zeigt,

3 eine schematische Querschnittsansicht einer Spuleneinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

4 eine schematische Querschnittsansicht einer Spuleneinrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,

6 eine Vergrößerung eines Teils des Wicklungsträgers aus 5 zeigt,

7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,

8 eine Vergrößerung eines Teils des Wicklungsträgers aus 7 zeigt,

9 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt,

10 eine Vergrößerung eines Teils des Wicklungsträgers aus 9 zeigt und

11 eine schematische Querschnittsansicht einer Spuleneinrichtung nach einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt.

In 1 ist eine elektrische Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer perspektivischer Ansicht gezeigt. Gezeigt ist ein Wicklungsträger 3, der einen Grundkörper 5 mit einer kreiszylindrischen Grundform aufweist. Der Grundkörper 5 ist hier als ringförmiger Körper mit in Umfangsrichtung verteilten Aussparungen 15 ausgestaltet. Auf einer radial außenliegenden Oberfläche dieses Grundkörpers 5 ist ein Ausgleichselement in Form einer federnden Auflage 7a angeordnet. Diese federnde Auflage 7a ist in dem in 2 darstellten Ausschnitt der in 1 dargestellten Spuleneinrichtung 1 zu erkennen. Die Auflage 7a ist im gezeigten Beispiel als ein Wellband aus Kunststoff ausgestaltet, welches in einer Aussparung auf der Außenseite des Grundkörpers 5 liegt. Der Grundkörper 5 und die federnde Auflage 7a bilden hier zusammen den Wicklungsträger 3. Dabei können die beiden genannten Elemente entweder fest miteinander verbunden sein, oder aber die Auflage 7a kann lose auf dem Grundkörper aufliegen. Auf dem so gebildeten Wicklungsträger 3 ist in der Spuleneinrichtung 1 ein elektrischer Leiter 9 angeordnet, der im gezeigten Beispiel als Bandleiter ausgeführt ist. Dieser Bandleiter ist auf einer einhüllenden Außenfläche 13 des Wicklungsträgers 3 angeordnet, wobei diese Außenfläche im gezeigten Beispiel durch die Wellenberge des Wellbandes 7a als Auflagestellen und die sich dazwischen erstreckenden nicht mechanisch unterstützen Bereiche gegeben ist. Der in 2 darstellte Verlauf des Bandleiters 9 zeigt den Verlauf dieser einhüllenden Außenfläche an. Im Beispiel der 1 und 2 ist der Bandleiter in einer einzigen umlaufenden Windung 10 um den Wicklungsträger 3 herum angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Windungen radial übereinander angeordnet sind, was hier der Übersichtlichkeit halber nicht näher gezeigt wird. In axialer Richtung, also in Richtung der Wicklungsachse A wird der elektrische Leiter 9 auf dem Wicklungsträger durch mehrere axiale Abschlagelemente gehalten: Dies sind, in 2 hinten darstellt, die axialen Anschlagrippen 11a, von denen im Umfangsrichtung eine Vielzahl über den Wicklungsträger 3 verteilt sind. Außerdem wird der Leiter 9 durch die in 2 vorne darstellte Anschlagscheibe in der zweiten axialen Richtung begrenzt. So kann der elektrische Leiter 9 insgesamt fest auf dem Wicklungsträger gehalten werden, ohne in axialer Richtung von ihm abzurutschen. Bei der gezeigten Spuleneinrichtung 1 handelt es sich insbesondere um eine trocken gewickelte Spule, bei der der elektrische Leiter nicht mit dem Wicklungsträger 3 vergossen oder verklebt ist. Er ist aber so mechanisch vorgespannt, dass er fest auf dem Wicklungsträger 3 sitzt.

Beim Beispiel der 1 und 2 wirkt die als Wellband ausgestaltete federnde Auflage 7a als Ausgleichselement, welches eine automatische Anpassung des Umfangs der Außenfläche des Wicklungsträgers 3 an eine Änderung des Umfangs der Leiterwindung 10 bewirkt. Die einzelnen Wellenberge 8 des Wellbandes wirken hier jeweils als Federn, die eine Federkraft F in radialer Richtung ausüben können. Entsprechend wird ein Federweg gebildet, der auch in dieser radialen Richtung ausgerichtet ist. Durch diese Art der Federung kann der Außendurchmesser der durch die Wellenberge 8 und die dazwischen liegenden Bereiche gebildeten Außenfläche 13 insgesamt größer oder kleiner werden, was wiederum auch zu einer Änderung des Gesamtumfangs dieser Außenfläche führt. Wird nun die Spuleneinrichtung abgekühlt, so kann sich der Wicklungsträger durch ein Einfedern der Wellenberge 8 des Wellbandes 7a an die resultierende Schrumpfung des elektrischen Leiters 9 anpassen, und eine übermäßige mechanische Belastung oder gar Beschädigung des Leiters kann so vorteilhaft vermieden werden. Wenn es umgekehrt zu einer Erwärmung der Spuleneinrichtung kommt, so kann sich der Wicklungsträger 3 durch ein Ausfedern der Wellenberge 8 des Wellbandes 7a an die resultierende Verlängerung des elektrischen Leiters 9 anpassen, und eine Lockerung des Leiters sowie ein Verrutschen des Leiters 9 von dem Wicklungsträger kann vorteilhaft vermieden werden. Auf diese Weise sorgt das Ausgleichselement – hier in Form der federnden Auflage – für eine automatische Anpassung des Wicklungsträgers an thermische Längenänderungen des Leiters. Es ist auch möglich, dass sich nicht die gesamte Spuleneinrichtung erwärmt, sondern dass sich im Wesentlichen nur der elektrische Leiter erwärmt und der Wicklungsträger auf einer kryogenen Temperatur bleibt. Auch in einem solchen Fall kann durch die Merkmale der vorliegenden Erfindung eine übermäßige Belastung des Leiters und/oder ein Verrutschen der Wicklung vermieden werden. Ein solcher Fall kann beispielsweise dann eintreten, wenn der Supraleiter durch ein sogenanntes „Quenching“ plötzlich in den normalleitenden Zustand übergeht, beispielsweise beim Überschreiten einer vorgegebenen Stromschwelle in einem Fehlerstrombegrenzer.

Wie in 2 gut zu erkennen ist, ist der elektrische Leiter 9 an einer ersten axialen Position 17a des Wicklungsträgers 3 angeordnet. Zusätzlich ist es ebenfalls möglich, eine entsprechende weitere federnde Auflage und eine weitere Leiterwindung an einer zweiten axialen Position 17b anzuordnen. Bei einer solchen Ausgestaltung würden die in Umfangsrichtung verteilten Anschlagrippen 11a die beiden axial benachbarten Leiterwindungen voneinander trennen. In ähnlicher Weise können auch Spuleneinrichtungen mit mehr als zwei axial benachbarten Spulenwicklungen ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Windungen radial übereinander angeordnet sein, wobei die Windungen entweder in Form einer übergeordneten Flachspule elektrisch miteinander verbunden sein können oder als getrennte Kurzschlussringe übereinander angeordnet sein können.

3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Wicklungsträgers 3 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Querschnitt senkrecht zur Wicklungsachse A. Der Wicklungsträger 3 weist einen Grundkörper 5 auf, der nur sehr schematisch als ringförmig geschlossener Körper dargestellt ist. Er kann beispielsweise ähnlich wie in 1 ausgestaltet sein, und insbesondere in Umfangsrichtung verteilte Aussparungen aufweisen, die hier nicht dargestellt sind. Alternativ kann der Grundkörper auch abweichend zur hier gezeigten Ringform als Massivkörper ausgestaltet sein, bei dem der Bereich der Wicklungsachse A also ebenfalls mit Material ausgefüllt ist. Wesentlich für das Beispiel der 3 ist, dass das auf dem Grundkörper 5 des Wicklungsträgers aufliegende Ausgleichselement in Form der federnden Auflage 7a sich über den gesamten Umfang des ringförmigen Grundkörpers 5 erstreckt. Auf diesem liegt ebenfalls über dem gesamten Umfang ein elektrischer Leiter 9 auf, der in einer oder mehreren Windungen auf dem Wicklungsträger angeordnet sein kann. Durch die Anordnung der federnden Auflage zwischen Wicklungsträger 3 und Leiter 9 auf dem gesamten Wicklungsumfang wird eine besonders gleichmäßige Anpassung des Wicklungsträgers 3 an Längenänderungen des Leiters 9 erreicht, ohne dass der Leiter sich stark im Umfangsrichtung bewegen muss, um mechanische Spannungen in dieser Richtung auszugleichen. So kann der Ausgleich mechanischer Spannungen hauptsächlich durch Federbewegungen in radialer Richtung erfolgen.

4 zeigt eine analoge schematische Querschnittsansicht einer Spuleneinrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Aufbau ist im Wesentlichen ähnlich wie der Aufbau des Beispiels der 3, und gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist hier aber das federnde Element 7a nicht als ein durchgehendes Element auf dem gesamten Umfang des Wicklungsträgers gebildet, sondern es sind mehrere einzelne federnde Auflagen 7a über den Umfang des Wicklungsträgers 3 verteilt angeordnet. In 4 sind beispielhaft 16 derartige Ausgleichselemente 7a gezeigt, aber es kommen auch niedrigere oder größere Anzahlen in Frage. Wie in 3 angedeutet, kann der elektrische Leiter nur auf diesen Ausgleichselementen 7a aufliegen und dazwischen frei hängend gespannt sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der elektrische Leiter 9 in den Abschnitten zwischen den einzelnen Ausgleichselementen 7a auf einer Außenfläche des Grundkörpers 5 zu liegen kommt. Dies hängt jeweils von Anzahl und Abstand der einzelnen federnden Auflagen 7a ab.

5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein solcher Wicklungsträger kann, ähnlich wie bei den vorhergehenden Beispielen, mit einem elektrischen Leiter umwickelt werden und somit Teil einer elektrischen Spuleneinrichtung sein. Auch hier weist der Wicklungsträger einen ringförmigen Grundkörper 5 auf, in den ähnlich wie beim Beispiel der 4, in Umfangrichtung abschnittsweise federnde Wellbänder 7a eingelegt sind. In diesem Beispiel sind vier solche Wellbänder 7a in vier entsprechende Aussparungen des Grundkörpers 5 des Wicklungsträgers 3 eingelegt. Die Abstände zwischen diesen mit federnden Auflagen 7a versehenen Segmenten sind so groß, dass ein auf dem Wicklungsträger aufgewickelter Leiter dazwischen zwangsläufig auf dem Grundkörper 5 aufliegt. Die vier Führungsnuten 19, in denen die federnden Wellbänder 7a eingelegt sind, sind so geformt, dass sich am Ende diese Wellbänder ein sanfter Übergang in der Auflagefläche des Leiters zur Oberfläche des Grundkörpers 5 ergibt. Dies ist in der ebenfalls in 5 auf der rechten Seite gezeigten Ausschnittsvergrößerung zu erkennen.

Eine noch detailliertere Vergrößerung des Beispiels aus 5 ist in 6 dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, dass neben dem federnden Ausgleichselement 7a in der gezeigten ersten axialen Position 17a wieder ein entsprechendes Ausgleichselement in der benachbarten zweiten axialen Position 17b angeordnet werden könnte, wenn hier ebenfalls eine entsprechende Führungsnut 19 vorgesehen würde. So kann auch für diese Ausführungsform eine entsprechende Spuleneinrichtung mit zwei axial benachbarten Leiterwindungen realisiert werden.

In 7 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers 3 nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auch hier weist der Wicklungsträger einen ringförmig geschlossenen Grundkörper 5 auf, auf dessen Außenfläche in zwei axialen Positionen 17a und 17b Leiterwindungen angeordnet werden können (siehe Detailansicht der 8). Zwischen diesen beiden axialen Positionen 17a und 17b sind wiederum in Umfangsrichtung verteilte axiale Anschlagsrippen 11a angeordnet, die zwei solche Leiterwindungen axial beabstanden können. Im Unterschied zu den Beispielen der 1 bis 6 sind die Ausgleichselemente hier nicht durch federnde Auflagen, sondern durch in den Grundkörper 5 des Wicklungsträgers integrierte federnde Lamellen 7b gebildet. Wie in 7 zu erkennen, sind mehrere solcher federnder Lamellen 7b im Umfangsrichtung über den ringförmigen Wicklungsträger 3 verteilt angeordnet. 8 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des in 7 eingekreisten Bereichs mit einer federnden Lamelle 7b. Diese Lamelle 7b ist als einseitig fixierte Lamelle ausgebildet, die im linken Bereich der 8 mit dem Grundkörper 5 des Wicklungsträgers 3 verbunden ist. Im rechten Bereich der Lamelle 7b wirkt diese als Blattfeder, die sich entlang der Richtung der Federkraft F bewegen kann. Auch hier hat die Richtung der Federbewegung also eine starke Komponente in radialer Richtung. Ein auf einem solchen Wicklungsträger 3 aufliegender bandförmiger Leiter wird in jedem Fall im Bereich der Lamellen 7b auf dem Wicklungsträger aufliegen. In dem daran angrenzenden Bereich 21, der dem frei schwingenden Lamellenende benachbart ist, wäre der Bandleiter zunächst ohne Auflage frei gespannt, bis er entweder im Bereich der nächsten Lamelle 7b oder im Bereich zwischen den Lamellen wieder auf dem Wicklungsträger zur Auflage kommt – abhängig vom Abstand zwischen den Lamellen und dem Grad der Abspreizung der einzelnen Lamellen.

Die federnden Lamellen 7b können so ausgestaltet sein, dass sie in einem Grundzustand leicht vom Grundkörper 5 des Wicklungsträgers 3 abgespreizt sind. Wenn eine Leiterwindung mit leichter Vorspannung auf dem Wicklungsträger aufgewickelt wird, kommt es zu einem Zusammendrücken dieser Lamellen. Wenn die Lamellen nicht ganz bis zum Anschlag zusammengedrückt sind, befinden sich die Ausgleichselemente also in einer mittleren Federstellung. In dieser Stellung kann dann wiederum ein Ausgleich von Längenänderungen des Leiters in beiden Richtungen erfolgen, also sowohl eine Abfederung von thermischen Dehnungen als auch eine Abfederung von thermischen Schrumpfungen des Leiters.

Wie im Beispiel der 7 und 8 angedeutet, können die Lamellen 7b einstückig mit dem Grundkörper 5 des Wicklungsträgers 3 ausgestaltet sein. Die Lamellen können also beispielsweise durch das Anbringen von Einfräsungen 22 auf der Außenseite dieses Grundkörpers erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform sind Grundkörper und Lamellen aus demselben Material gebildet. Alternativ ist es aber auch möglich, ähnliche federnde Lamellen als separate Elemente im Außenbereich des Grundkörpers anzubringen. Beispielsweise können solche Lamellen als einzelne Blattfedern in entsprechende Schlitze des Grundkörpers eingesteckt werden. Die Wirkung ist insgesamt vergleichbar mit den Lamellen des Ausführungsbeispiels aus den 5 und 6.

In 9 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers 3 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieser Wicklungsträger ist in seiner Grundstruktur ähnlich wie der Wicklungsträger der 7 und 8 aufgebaut. So wie dieser, weist er auch eine Mehrzahl von federnden Lamellen 7c auf, die in Umfangsrichtung über die Außenseite des Wicklungsträgers 3 verteilt sind. Im Unterschied zum fünften Ausführungsbeispiel sind hier jedoch die federnden Lamellen 7c als beidseitig fixierte Lamellen ausgebildet, die hauptsächlich in ihrem mittleren Bereich in radialer Richtung federn können. Eine Ausschnittsvergrößerung im Bereich einer solchen Lamelle 7c ist in 10 darstellt. Die Wirkung dieser federnden Lamellen ist insgesamt ähnlich wie beim vorhergehend beschriebenen Beispiel. Beim Beispiel der 9 und 10 kann jedoch ein auf dem Wicklungsträger gehaltener elektrischer Leiter mit einer noch größeren Auflagefläche auf der Außenfläche des Wicklungsträgers aufliegen. Die Lamellen im Wicklungsträger nach dem sechsten Ausführungsbeispiel können ebenfalls vorteilhaft einstückig mit dem Grundkörper des Wicklungsträgers ausgeführt werden. Der Wicklungsträger kann aus einer ringförmigen Rohform durch Anbringen entsprechender Aussparungen 15 und 15a hergestellt werden.

11 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Spuleneinrichtung 3 nach einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist hier wieder ein Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Wicklungsachse A. In diesem Beispiel bildet der Grundkörper 5 des Wicklungsträgers 3 selbst das federnde Ausgleichselement, denn er ist als offene Ringfeder ausgestaltet. Der Grundkörper ist also nicht ringförmig geschlossen, sondern weist eine Öffnung 23 auf, die in ihrer Länge l variabel ist. Der Grundkörper 5 kann also eine Federkraft F in Umfangsrichtung ausüben, und eine Federbewegung entlang dieser Richtung führt zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Umfangs der einhüllenden Außenfläche des Wicklungsträgers, wie sie durch den Umfang des darauf aufliegenden elektrischen Leiters 9 wiedergegeben ist. Somit kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine automatische Anpassung des Umfangs der einhüllenden Außenfläche 13 des Wicklungsträgers an den Umfang der Leiterwindung 10 erfolgen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • WO 2011/095199 A1 [0003]
  • DE 102011077457 A1 [0006]
  • DE 102015207861 A1 [0007]