Die Erfindung betrifft ein Dreileiterkabel zur Energieübertragung mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz, vorzugsweise mindestens 100 Hz, beispielsweise 400 Hz.
Im Bereich von 400 Hz werden sogenannte Hochfrequenz-Energieübertragungskabel eingesetzt. Sie werden zum Beispiel bei Flugzeugen und dergleichen benötigt, um diese zu Standzeiten an ein festes Stromnetz oder ein mobiles Aggregat anzuschliessen. Das Kabel sollte dabei aufgrund der auf Stromschwankungen empfindlich reagierenden Bordelektronik der Flugzeuge keine nachteiligen asymmetrischen Spannungs-Abfälle erzeugen.
Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Motorentechnik. So können Hochfrequenz-Energieübertragungskabel zum Beispiel auch zur Speisung von Motoren für Spindelantriebe (Asynchron/Synchron-Motoren) oder von bürstenlosen DC-Motoren eingesetzt werden.
Bekannte Hochfrequenzkabel für Frequenzen ab 400 Hz bestehen aus vier miteinander verseilten bzw. verdrillten Einzelleitern, bestehend aus drei Phasenleitern und einem Neutral- und/oder Rückleiter. Bei dieser Konstruktion liegen in Nachbarschaft zum Neutral- und/odor Rückleiter jeweils zwei Phasenleiter. Zwischen diesen beiden wiederum liegt der dritte Phasenleiter. Diese Asymmetrie hat einen nachteiligen induktiven Spannungsabfall zur Folge, der insbesondere bei Kabeln, die im höheren Frequenzbereich betrieben werden, eine enorm wichtige Stellung einnimmt.
Durch die Geometrie dieses bekannten Vierleiterkabels entstehen zudem asymmetrische elektrische Felder, die sich störend auf die nähere Umgebung ausbreiten können. Durch die Geometrie von vier verseilten Einleiterkabeln ergibt sich ferner eine mechanisch nicht eindeutig definierte Position der Anordnung, die in dar Regel mit einem Zentrumselement gelöst werden muss.
Bei einem Dreileiterkabel nach der Druckschrift EP-A-0 526 081 sind drei Leiter in einem Schutzmantel eingepackt. Dieses Kabel ist aber als Mittel- bis Hochspannungskabel in einem angegebenen Bereich von 22'000 V ausgelegt. Bei solchen Kabeln mit hohen Spannungen besteht eine der Hauptvoraussetzungen darin, dass die Leiter von einer entsprechend dicken Isolierung ummantelt sind, was vorliegend durch diese zwei Schirme für die Homogenität des elektrischen Feldes und die Isolation realisiert ist. Ein Schirm alleine weist eine Dicke von ca. 1 mm auf. Durch diesen Unterschied gegenüber dem Dreileiterkabel nach der Erfindung ist das Kabel sehr schlecht biegsam und damit unflexibel. Dies wird bei dem bekannten Kabel noch durch die über den Aussenumfang verteilten armierenden Stahldrähte innerhalb des Aussenmantels verstärkt. Ausserdem entsteht bei einer dicken Isolation eine hohe unerwünschte Induktivität und dadurch ein induktiver Spannungsabfall.
Bei dem insbesondere für Hochspannung vorgesehenen Starkstromkabel nach der Druckschrift DE-A-11 95 837 bestehen dieselben Nachteile wie bei dem oben umrissenen Kabel. Aufgrund der Vorsehung als Hochspannungskabel sind wiederum dicke Isolationen erforderlich, wodurch die Flexibilität des Kabels nicht mehr gegeben ist, was bei dieser Art von Kabeln auch nicht erfüllt sein muss.
Es gibt aber auch Hochfrequenz-Energiaübertragungskabel mit einer symmetrischen Kabelanordnung. Diese Kabel weisen die geometrisch bedingten Nachteile der vorgenannten Vierleiterkabel nicht auf. Bei Ihnen werden die Phasenleiter doppelt geführt und um den zentral angeordneten Neutral- und/oder Rückleiter herum verseilt. Dadurch entsteht eine symmetrische Anordnung mit dem Neutral- und/oder Rückleiter im Zentrum und sechs symmetrisch um diesen verseilten Phasenleitern. In dieser Anordnung werden jeweils zwei gegenüberliegende Phasenleiter miteinander verbunden. Der Rückleiter verfügt in dieser Konstruktion über den halben Querschnitt der Phasenleiter. Dies ist ein Nachteil bei asymmetrischer Last, wie sie bei Grossraumflugzeugen oft vorkommt. Die Konstruktion weist im Betriebszustand zwar eine verhältnismässig kleine Induktivität auf, sie ist aber aufwendig und in der Regel weniger flexibel. Sie erfordert zudem die Isolation von zwei parallelen Dreiphasen-Systemen, was einen Mehrverbrauch an hochwertigem Isolationsmaterial bedeutet. Im weiteren muss bei diesem Kabel vor dem Stecker oder darin eine Zusammenführung der jeweils zwei zueinander gehörenden Phasenleitern erfolgen.
Dieser zweite Typ von Hochfrequenz-Energieübertragungskabel weist also den Nachteil einer komplizierten und verhältnismässig teuren Herstellung auf. Zudem haben diese Kabel eine kleinere Oberfläche, über die die intern anfallende Verlustwärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Elektrokabel zur Energieübertragung mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz, sowie insbesondere ein Hochfrequenz-Energieübertragungskabel zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, wobei vor allem letzteres die Vorteile einer symmetrischen Anordnung mit der Flexibilität und der Einfachheit der verdrillten Einleiterkonstruktion verbinden soll und bei gleicher Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit einen ähnlichen Durchmesser hat wie die bekannten Vierleiter-Hochfrequenzkabel.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Dreileiter-kabel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel ist beispielsweise für eine Energieübertragung im höheren Frequenzbereich ab 400 Hz bestimmt und weist einen symmetrischen Aufbau aus drei miteinander verseilten Elektrokabeln auf. Jedes der drei Elektrokabel ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Phasenleiter, einer Isolation und einem konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter besteht. Eingebettet in den konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter oder Phasenleiter sind Blind- und Steueradern, wobei über diesen und dem Neutral- und/oder Rückleiter noch zudem ein äusserer Schutzmantel aufgebracht ist.
Das Dreileiterkabel enthält also pro Phasenleiter jeweils einen konzentrischen, äusseren Neutral- und/oder Rückleiter, der jedoch im völlig symmetrischen Betrieb praktisch nicht benützt werden muss. Durch den geometrischen Aufbau ergibt sich nur eine kleine Induktivität, was sich positiv auf den Spannungsabfall auswirkt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Das in der Figur 1 separat und in der Figur 2 mit gleichen Kabeln verseilt dargestellte und als ganzes mit 1 bezeichnete, Elektrokabel besitzt eine Aderleitung, nämlich einen Innenleiter 2 mit mehreren miteinander verseilten Litzen.
Der Innenleiter 2 ist von einer vorzugsweise aus Kunststoff gebildeten, nachfolgend auch als Isolation bezeichneten, Schutzhülle 3 umhüllt.
Eingebettet in den durch beispielsweise acht Einzelleiter 4 gebildeten, konzentrisch geführten Neutral- und/oder Rückleiter sind Blindadern 5 sowie Steueradern 6, welche ihrerseits zu Kontroll-, Überwachungs-, Mess- und Steuerzwecken mitgeführt werden.
Über den Einzelleitern 4 des Neutral- und/oder Rückleiters, den Blindadern 5 und den Steueradern 6 ist ein Vliessband 7 und darüber ein vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Schutzmantel 8 aufgebracht.
Die nun folgenden sich auf die Durchmesser der verschiedenen Schichten beziehenden Angaben sind beispielhaft und beziehen sich auf ein Elektrokabel, das einen Innenleiterquerschnitt von ca. 50 mm2 aufweist und für eine Energie-Übertragung mit einer Frequenz von 400 Hz vorgesehen ist. Es ist selbstverständlich, dass bei grösserem Stromleiterquerschnitt oder anderen Frequenzbereichen die verschiedenen Querschnitte entsprechend zu- oder abnehmen können.
Die den Innenleiter 2 umschliessende Schutzhülle 3 ist etwa 0,2 bis 1,4 mm dick und besteht zum Beispiel aus einem Kunststoffband, beispielsweise aus Polyester, das den Innenleiter 2 mit einer Überlappung von beispielsweise 20 bis 30 % der Bandbreite umwickelt, sowie einer extrudierten Kunststoff-Schicht.
Um die Isolation 3 herum sind der Neutral- und/oder Rückleiter, die Steueradern 6 und die Blindadern 5 symmetrisch verseilt angeordnet. Die acht den Rückleiter bildenden Einzelleiter 4 bestehen vorzugsweise aus Cu-Litzen mit einem Querschnitt von je etwa 2,5 mm2.
Über der Verseilung bestehend aus den Einzelleitern 4 des Neutral- und/oder Rückleiters, den Steueradern 6 und den Blindadern 5 ist das Vliessband 7 mit einer Überlappung von beispielsweise 20 bis 30 % der Bandbreite aufbandiert, wobei dieses vorzugsweise eine Wandstärke von etwa 0,05 bis 0,2 mm besitzt.
Der das Vliessband 7 umschliessende Mantel 8 besteht aus bekanntem Material und besitzt eine Wandstärke von beispielsweise 1,5 bis 5 mm.
Das in der Figur 2 dargestellte und als ganzes mit 10 bezeichnete Dreileiterkabel weist drei miteinander verseilte Elektrokabel 1 der vorstehend beschriebenen Art auf. Die drei miteinander verseilten Elektrokabel 1 können in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung allenfalls noch zusätzlich durch einen sie umhüllenden, beispielsweise als Bandage oder Schlauch ausgebildeten Mantel zusammengehalten werden, der die Elektrokabel 1 gegen eine axiale Verschiebung sichert.
Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel weist gegenüber den eingangs beschriebenen Hochfrequenzkabeln die Vorteile auf, dass es bei gleicher Leistungsfähigkeit einen absolut symmetrischen Spannungsabfall auf allen drei Adern aufweist, der kleiner ausfällt als bei den herkömmlichen Kabeln. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemässe Konstruktion ein kleineres mechanisches Biegemoment erreicht und es ist dank dem einfachen Aufbau die Anschlussgestaltung im Verbindungsstecker einfach zu realisieren. Ferner ist keine zusätzliche Zentrums-Blindader zur definierten Verseilung notwendig, so dass das Kabel dadurch leichter und flexibler wird.
Des weiteren wird durch die erfindungsgemässe Konstruktion die Personensicherheit erhöht. Bevor der Phasenleiter durch Verletzung mit einem metallischen Gegenstand berührt werden kann, muss nämlich der das Erdpotential führende Neutral-Leiter verletzt werden. Dies hat zur Folge, dass im Verletzungsfall die Phase mit dem Erdpotential kurz geschlossen wird, bevor man sie unter Spannung berühren kann.
Gegenüber den bekannten Vierleiter-Kabel weist das Dreileiter-Kabel weitere Vorteile, wie eine klare Separierung von Steueradern und Phasen-Leitern, ein verbessertes EMV-Verhalten und eine stabilere Verteilung auf. Gegenüber den bekannten Kabeln mit symmetrischer Kabelanordnung zeigt das erfindungsgemässe Dreileiterkabel noch zusätzlich eine verbesserte Wärmeabstrahlung.
Das erfindungsgemässe Dreileiterkabel ist im Frequenzbereich ab 50 Hz verwendbar. Es bietet der symmetrische Aufbau mit dem verhältnismässig grossen Querschnitt des Rückleiters optimale Voraussetzungen für Verbindungen von asymmetrischen Lasten. Der symmetrische Aufbau bietet zudem markante Vorteile für flexible Verbindungen zwischen USV Geräten und Datenverarbeitungsanlagen, Radarstationen, sowie Sendeanlagen, Inverter - Motorverbindungen mit höheren EMV Anforderungen etc.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das anhand der Figur 1 beschriebene Elektrokabel sowie auch das in der Figur 2 dargestellte Dreileiterkabel nur eine Auswahl von mehreren möglichen Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in verschiedener Hinsicht geändert werden können.
So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Steueradern nicht im Neutral- und/oder Rückleiter sondern im jeweiligen Phasenleiter einzubetten, und zwar so, wie dies bei bereits bekannten Hochfrequenzkabeln der Fall ist. Ferner können die symmetrisch verteilten Einzelleiter 4 anstatt verseilt, mäanderförmig um den Phasenleiter herum angeordnet sein, und es kann die Schutzhülle 3 nur aus einer extrudierten Kunststoffschicht bestehen.