Drosselspule

Abstract

 Die Drosselspule besteht aus unter sich gleichartigen Flachstäben (1), die an den Ecken elektrisch verbunden sind. Jede Spulenwindung besteht aus einem ganzzahligen Vielfachen von unter sich gleichartigen Flachstäben (1), die jeweils an den Ecken auf Kontaktflächen überlappend und grossflächig aufeinanderliegen. Zwischen zwei benachbarten Windungen sind an den Ecken Isolierplatten und/oder Isolierschichten (2) mit einer Grösse, die annähernd der Kontaktfläche entspricht, vorgesehen. Der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels erfolgt ausschliesslich mittels einer Spannvorrichtung (4,5,6) mit Spannelementen, welche die Flachstäbe nicht anschneiden oder durchsetzen.
Eine derart aufgebaute Drossel ist einfach und wirtschaftlich zu fertigen, lässt sich gut kühlen und ist praktisch in jeder Grösse herstellbar.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselspule unter sich gleichartigen Flachstäben, die an den Ecken elektrisch verbunden sind, und wobei zwischen übereinanderliegenden Windungen Isoliermaterial vorgesehen ist.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

[0002] Um eine ausreichende Zeitkonstante zu erreichen, werden bei Gleichstrom-Lichtbogenofenanlagen ein oder zwei Drosseln im Gleichstromkreis eingesetzt. Type Daten für solche Drosseln sind Induktivitäten um 100 µH, die für Dauerströme bis 50 kA und mehr ausgelegt sein müssen. Bei schweren Flickerverhältnissen und hohen Ofenleistungen werden Drosseln mit Induktivitäten bis 700 µH und mehr für Nennströme um 110 kA benötigt. Damit die Stromwärmeverluste noch vetretbar sind, sind hierzu Kupferleiter grossen Querschnitt erforderlich, so dass eine Drossel der letztgenannten Art auf ein Kupfergewicht um 75 Tonnen kommt. Es besteht daher ein grosses Bedürfnis Drosseln dieser Grösse wirtschaftlich herzustellen.

[0003] Bei der Herstellung von eckigen Spulen, die aus hochkant gestellten Stäben gewickelt werden, wird das Biegen der Stäbe bei zunehmender Breite immer schwieriger, und die Stäbe werden an der Biegungsstelle einer bedeutenden Materialbeanspruchung unterzogen, die zu wesentlichen Querschnittsverringerungen führt.

[0004] Bei dem aus der DE-PS 508 183 bekannten Verfahren zur Herstellung von eckigen Spulen für elektrische Maschinen aus hochkant gestellten Flachstäben werden die Stäbe schräg unter dem halben Eckenwinkel geschnitten und dann unter dem vollen Winkel stumpf aneinandergelötet oder geschweisst. Zur Entlastung der Verbindungsstelle wird der schräge Schnitt durch die Stäbe schwalbenschwanzförmig ausgeführt.

[0005] Bei einem anderen Verfahren (CH-PS 512 848) wird auf das Verlöten oder Verschweissen der Stossstellen an den Ecken verzichtet, indem die Flachstäbe an ihren Enden durch Feinstanzen oder Feinschneiden mit je einer eine blanke Schnittfläche aufweisenden Verbindungsstelle versieht, und darauf die einzelnen Abschnitte durch Ineinanderpressen der Verbindungsstellen elektrisch und mechanisch miteinander verbindet.

[0006] Gemeinsames Merkmal beider bekannter Techniken ist die Schaffung einer mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen fortlaufenden Stäben bzw. Platten.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspule zu schaffen, die einfach und wirtschaftlich herzustellen ist. Insbesondere soll dabei ein Minimum an Bearbeitung der einzelnen Flachstäbe notwendig sein.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jede Spulenwindung aus einem ganzzahligen Vielfachen von vorzugsweise unter sich gleichartigen Flachstäben besteht, die jeweils an den Ecken an Kontaktflächen überlappend und grossflächig aufeinanderliegen, dass zwischen zwei benachbarten Windungen an den Ecken Isolierplatten und/oder -schichten mit einer Grösse, die annähernd der Kontaktfläche entspricht, vorgesehen sind, und dass der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels ausschliesslich mittels einer Spannvorrichtung mit Spannelementen erfolgt, welche die Flachstäbe nicht anschneiden oder durchsetzen.

[0009] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass die Flachstäbe ohne Materialverluste von Bandmaterial abgelängt werden können. Abgesehen von der Beseitigung von Stanz- oder Schneidgrat ist keine weitere Bearbeitung notwendig. Gleiches gilt für die Isolierplatten zur Windungsisolation. Auch an die Kontaktflachen werden keine grossen Anforderungen gestellt. Es genügt, den fertigen Plattenstapel zusammenzupressen. Durch die grossflächige Kontaktierung an den Ueberlappungsstellen ergeben sich niedrige Stromdichten (typisch 0,05 A/mm²). Die Drossel kann - sofern notwendig oder vorteilhaft - direkt auf der Baustelle zusammengebaut werden, da keine komplizierten Schweiss- oder Lötarbeiten durchgeführt werden müssen.

[0010] Durch den erfindungsgemässen Aufbau ergeben sich zwangsläufig Distanzen zwischen in Spulenachsrichtung benachbarten Leitern, welche eine effektive Kühlung ermöglichen.

[0011] Der Querschnitt der Drossel kann praktisch beliebig gestaltet werden. Vorzugsweise hat diese jedoch den Querschnitt eines regelmässigen Vielecks, weil nur dann alle Flachstäbe unter sich gleichartige gleichmässige Trapeze mit dem selben Basiswinkel α und identischer Geometrie sind. Dabei gilt die leicht herleitbare Beziehung für den Basiswinkel





wobei n die Anzahl der Ecken des Vielecks bedeutet. Die Isolierplatten und auch die Kontaktflächen weisen dementsprechend rautenförmigen Querschnitt auf, mit gegenüberliegenden Winkeln α bzw. 180°-α.

[0012] Eine besonders einfache und wirtschaftlich herstellbare Drosselspule, die als die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angesehen wird, hat quadratischen Querschnitt und weist pro Windungs zwei parallelgeschaltete Flachstäbequadrupel auf. Bei einer derartigen Drossel sind Kröpfungen und/oder speziell angepasste Isolierplatten entbehrlich.

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0014] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt:

Fig.1

ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Drosselspule grosser Leistung, wobei jede Windung aus vier paarweise parallelgeschalteten Flachstäben besteht in perspektivischer Darstellung;

Fig.2

eine Draufsicht auf die oberste Windungs einer Drossel mit quadratischem Querschnitt;

Fig.3

einen teilweisen Längsschnitt durch die in eine Spannvorrichtung eingespannte Drossel nach Fig.2 längs deren Linie AA;

Fig.4

eine Draufsicht auf die oberste Windungs einer Drossel mit dem Querschnitt eines gleichseitigen Dreiecks;

Fig.5

eine Draufsicht auf die oberste Windungs einer Drossel mit dem Querschnitt eines regelmässigen Sechsecks.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0015] Die in Fig.1 dargestellte Drosselspule weist quadratischen Querschnitt auf. Sie ist aus unter sich gleichartigen parallel zueinander verlaufenden Kupferplatten oder Flachstäben 1 aufgebaut. Lediglich das eingangsseitige Plattenpaar le und das ausgangsseitige Plattenpaar la hat eine grössere Länge als die übrigen Platten. Die über die Peripherie hinausragenden Plattenenden dienen als Stromanschlüsse.

[0016] Jede Spulenwindung besteht aus insgesamt vier Paar Platten, die jeweils an den Ecken auf Kontaktflächen überlappend und grossflächig aufeinanderliegen, wodurch sich quasi eine Parallelschaltung von zwei ineinandergewickelten Spulen ergibt. Jeweils zwischen zwei benachbarten (aufeinanderliegenden) Windungen sind an den Ecken Isolierplatten 2 mit einer Geometrie, die annähernd der aufeinanderliegenden Flächen, der Kontaktfläche, entspricht, vorgesehen. Diese Isolierplatten sind in der Zeichnung übertrieben dick eingezeichnet. Sie bestehen beispielsweise aus glasfaservertärktem Kunststoff, Glimmer, Glasgewebe, dicken Folien aus Polyimid oder einer Kombination aus den genannten Materialien, wobei eine Dicke von 3 mm als ausreichend angesehen wird, da die Drossel keinen hohen Spannungsbeanspruchungen ausgesetzt ist.

[0017] Quadratische Platten 3, die z.B. aus dem Leitermaterial, einem anderen Metall oder auch aus Isoliermaterial bestehen können, dienen zur Schaffung einer einheitlichen Höhe der Drossel an allen vier Ecken bzw. zur Distanzierung der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Plattenpaare.

[0018] Der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels erfolgt ausschliesslich mittels einfachen Spannelementen, welche die Flachstäbel bzw. Kupferplatten nicht anschneiden oder durchsetzen.

[0019] Aus der schematischen Draufsicht auf einer Drossel gemäss Fig.2 und dem teilweisen Längsschnitt durch eine Ecke der Drossel gemäss Fig.3 ist grob vereinfacht der Aufbau einer solchen Spannvorrichtung zu erkennen. Diese besteht aus einer Bodenplatte 4 und einem kreuzförmigen Joch 5. und beide verbindende Zugstangen 6 mit Muttern 7. Isolierende Zwischenlagen 8 aus glasfaserverstärktem Kunststoff zwischen dem Plattenstapel und der Bodenplatte 4 bzw. dem Joch 5 dienen zur elektrischen Isolierung der Drossel.

[0020] Weil die Drossel im Betrieb grossen magnetischen Kräften ausgesetzt ist, kann es vorteilhaft sein, in die Distanzen zwischen zwei übereinanderliegenden Leitern Distanzstücke 9 (Fig.1) aus Isoliermaterial einzulegen.

[0021] Eine Drossel mit der Induktivität von 400 µH und einem Nennstrom von 400 kA besteht aus 20 mm dicken Kupferplatten von 3500 mm Länge und 1000 mm Breite mit 15 Windungen. Dazu werden 8x15=120 derartiger Platten benötigt. Der gesamte Leiterquerschnitt beträgt dann 40'000 mm², was eine Stromdichte von 2,5 A/mm² ergibt.

[0022] Die Stromdichte in den Kontaktflächen ist dabei vergleichsweise gering und beträgt 0,05 A/mm², da an jeder Ecke sich die Kupferplatten um 2 mal 1 m² überlappen.

[0023] Ohne den durch die Erfindung abgesteckten Rahmen zu verlassen, sind eine Reihe von Abwandlungen möglich.

[0024] So können die Querschnitte der Drossel praktisch jeden Vieleckquerschnitt annehmen, wobei regelmässige Vielecke vorzuziehen sind, weil kein Verschnitt entsteht. Generell haben die Kupferplatten die Form eines gleichseitigen Trapezes mit dem Basiswinkel α, wobei für diesen Basiswinkel gilt:





worin n die Anzahl der Ecken des regelmässigen Vielecks bedeutet.

[0025] Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig.1 wurde eine Drossel mit quadratischen Querschnitt gewählt. Selbstverständlich kann die Drossel auch beliebigen Rechteckquerschnitt aufweisen. Auch andere Querschnittsformen sind möglich, wie die schematischen Querschnitte durch eine Drossel mit Dreiecksquerschnitt in Fig.4 und durch eine Drossel mit Sechseckquerschnitt in Fig.5 zeigen.

[0026] In Fig.4 und 5 ist ferner veranschaulicht, dass bei anderen Formen als Rechteckform die Kupferplatten 1 nicht notwedig trapezförmig mit einem Basiswinkel α < 90° sein müssen. Nimmt man dreieckförmige Vorsprünge 10 (in Fig.4 und 5 strichliert eingezeichnet) an den Ecken in Kauf, können auch bei solchen Konfigurationen Kupferplatten mit Rechteckquerschnitt verwendet werden. Bei einer solchen Anordnung kann man dann auch vom regelmässigen Vieleck abweichen und kommt trotzdem mit unter sich gleichartigen Kupferplatten aus.

[0027] Weil bei Rechteck - und damit auch quadratischen Querschnitten - mit der beschriebenen Leiterführung an jeder Ecke bei der Ueberlappung die Höhe um eine Plattendicke zunimmt, erreichen die Platten 1 bei der nächsten Windung genau die richtige Höhe ohne irgendeine Anpassung oder Bearbeitung. Wählt man eine Leiterführung mit drei parallelen Platten, muss die Drossel sechseckig ausgelegt werden, bei vier parallen Platten achteckig u.s.w.. Allgemein gilt, dass bei einer Drossel mit dem Querschnitt eines n-Ecks (n geradzahlig und n>4), jeweils pro Windungs n/2 Flachstäbe parallelgeschaltet sind.

[0028] Verzichtet man auf diesen "automatischen" Höhenausgleich und verwendet nur einen Leiterstrang pro Windung, so ergeben sich leichte Kröpfungen in Längsrichtung der Platten 1, die möglicherweise eine Verstärkung der Isolierplatten 2 erforderlich machen können. Eine Beinträchtigung der Betriebssicherheit ist jedoch aufgrund der Duktilität des Leitermaterials Kupfer nicht zu befürchten.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0029] 

1 Kuperplatten

2 Isolierplatten oder -schichten

3 quadratische Platten

4 Bodenplatte

5 Joch

6 Zugstangen

7 Muttern

8 isolierende Zwischenlagen

9 Distanzstücke aus Isoliermaterial

10 dreieckförmige Vorsprünge

Ansprüche

1. Drosselspule mit unter sich gleichartigen Flachstäben (1), die an den Ecken elektrisch verbunden sind, und wobei zwischen übereinanderliegenden Windungen Isoliermaterial (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spulenwindung aus einem ganzzahligen Vielfachen von vorzugsweise unter sich gleichartigen Flachstäben (1) besteht, die jeweils an den Ecken auf Kontaktflächen überlappend und grossflächig aufeinanderliegen, dass zwischen zwei benachbarten Windungen an den Ecken Isolierplatten und/oder Isolierschichten (2) mit einer Grösse, die annähernd der Kontaktfläche entspricht, vorgesehen sind, und dass der Zusammenhalt des so gebildeten Stapels ausschliesslich mittels einer Spannvorrichtung (4,5,6) mit Spannelementen erfolgt, welche die Flachstäbe nicht anschneiden oder durchsetzen.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drosselspule mit dem Querschnitt eines regelmässigen n-Ecks die Flachstäbe (1) den Querschnitt eines gleichmässigen Trapezes mit einem Basiswinkel





aufweisen, wobei n die Anzahl der Ecken des Vielecks bedeutet, und die Isolierplatten bzw. Isolierschichten (2) und auch die Kontaktflächen rautenförmigen Querschnitt aufweisen, deren gegenüberliegende Winkel a bzw. 180°-α gross sind.

3. Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Drosseln mit Rechteckquerschnitt jeweils pro Windung zwei Flachstäbe (1) parallelgeschaltet sind.

4. Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drossel mit dem Querschnitt eines n-Ecks mit n geradzahlig und n>4, jeweils pro Windungs n/2 Flachstäbe parallelgeschaltet sind.

Zeichnung