EP3138110B1 - Tauchkernspule, gewindespindel hierfür und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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EP3138110B1
EP3138110B1 EP15708701.6A EP15708701A EP3138110B1 EP 3138110 B1 EP3138110 B1 EP 3138110B1 EP 15708701 A EP15708701 A EP 15708701A EP 3138110 B1 EP3138110 B1 EP 3138110B1
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EP
European Patent Office
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threaded spindle
base body
slot
insert
longitudinal section
Prior art date
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Active
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EP15708701.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3138110A1 (de
Inventor
Mario IVANCIC
Peter GRIEBLER
Helmut Reisinger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/08—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with core, coil, winding, or shield movable to offset variation of voltage or phase shift, e.g. induction regulators
    • H01F29/10—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with core, coil, winding, or shield movable to offset variation of voltage or phase shift, e.g. induction regulators having movable part of magnetic circuit

Definitions

  • the present invention relates to a plunger coil, a threaded spindle for a plunger coil, and a method of manufacturing such a threaded spindle.
  • Immersion core coils are used, for example, in power supply networks as ground-fault quenching coils, which minimize the effects of earth faults by grounding a grid neutral point, or as compensation coils, which compensate the reactive current in electrical networks.
  • the inductance of the coil can be varied steplessly by a driven by a threaded spindle ferromagnetic core (plunger core) is adjusted in the air gap of the coil.
  • AT 338 920 B discloses a plunger core coil according to the preamble of claim 1 and a threaded spindle for a plunger coil according to the preamble of claim 6.
  • DE 30 45 954 A1 a plunger coil and a threaded spindle for a plunger coil.
  • Submersible core coils in power supply networks often have a considerable size with correspondingly heavy-weight core cores, so that, for production reasons, threaded spindles made of metal, preferably non-magnetic or austenitic steel, are used which pass through the coil.
  • threaded spindles made of metal, preferably non-magnetic or austenitic steel
  • the high magnetic field in the air gap of the coil also generates high eddy currents in such a metallic threaded spindle, which not only mean electrical losses, but also heat the spindle in addition.
  • spool coils of this size are usually cooled with oil, turbulence-induced local overheating ("hot spots") of the threaded spindle can lead to local gasification of the oil, which reduces its cooling effect and, moreover, causes the oil to prematurely age.
  • One solution to the problem is to slit that part of the threaded spindle that is inside the air gap to contain the formation of eddy currents there. This means that the plunger is guided on its side facing away from the air gap on the threaded spindle, resulting in an increased clamping length of the threaded spindle and thus leads to an increased size of the Tauchkernspule.
  • the increased clamping length also approaches the natural resonance of the threaded spindle the stimulating electrical frequency, which produces harmful vibrations.
  • the invention has for its object to provide a Tauchkernspule, a threaded spindle and a method for their preparation, which eliminate the disadvantages of the described prior art.
  • this object is achieved with a plunger core coil comprising a coil with an air gap, an air gap passing through a threaded spindle with a cylindrical base body made of metal, and a plunger core with a screwed onto the threaded nut, which on the air gap facing side of the plunger, wherein at least one longitudinal portion of the main body of the threaded spindle is provided with at least one extending over the longitudinal portion slot which is filled with a non-metallic insert, and wherein an outer surface of the insert with an outer surface of the base body over the longitudinal portion forms a thread.
  • a threaded spindle for a plunger coil comprising a cylindrical base body made of metal, wherein at least one longitudinal section of the base body is provided with at least one extending over the longitudinal section slot which is filled with a non-metallic insert and wherein an outer surface of the liner is threaded over an outer surface of the body over the longitudinal portion.
  • the inventive design of the thread in the non-metallic insert, the core nut of the plunger core on the inner, the air gap side facing the plunger are arranged, which not only minimizes the free clamping length of the threaded spindle and removes its natural resonance frequency of the mains frequency, but also allows a very compact size of the Tauchkernspule.
  • the slotted thread area flush-fitting insert ensures a trouble-free function of the thread. At the same time it comes due to the continuous slotting both lower electrical losses and to a lower heating of the threaded spindle.
  • local overheating with the risk of local gasification of the coolant is avoided, whereby its cooling effect is maintained and a premature aging of the same is avoided.
  • a submersible coil with a compact design and improved performance and life is created.
  • the insert is formed of a fiber reinforcing layer glued into the slot, e.g. reinforced with glass and / or carbon fibers.
  • a fiber reinforcing layer glued into the slot, e.g. reinforced with glass and / or carbon fibers.
  • the fiber-reinforced insert not only dampens the eddy current losses, but also contributes to an increase in stability of the threaded spindle itself due to its high mechanical strength.
  • the properties of the adhesive to which the fiber reinforcement ply is adhered e.g. the toughness or Young's modulus of the cured adhesive, moreover, the self-resonance of the threaded spindle can be selectively influenced.
  • the insert is made of a hardened in the slot, fiber reinforced plastic. This eliminates a separate manufacturing step for the liner and the use of a separate adhesive;
  • the insert can be made as it were "in situ", whereupon it completely fills the slot in one step.
  • Said slots may have any shape per se, as long as they extend over the longitudinal portion with the thread, for example, helically extending over this, in particular, for example, normal to the pitch of the thread to minimize the thread friction for the core nut.
  • the slot or slots preferably run parallel to the cylinder axis of the main body, which simplifies their manufacture and allows the use of straight strips of material for the insert.
  • the slot (s) do not necessarily need to be radially projected into the body, for example, they could also be oblique from the cylindrical surface of the body, if desired; however, they preferably protrude radially into the body, i. go out of its surface normally to facilitate manufacturing.
  • the number of slots per threaded longitudinal section of the threaded spindle can be adapted to the requirement of the eddy currents that occur, in simple cases or for low-cost embodiments, the longitudinal section can be adapted e.g. have only a single slot. However, it is particularly favorable if at least three, preferably four to six, slots are arranged distributed over the circumference of a longitudinal section in order to suppress the formation of eddy currents to a large extent.
  • the depth of each slot is 30% -70%, more preferably 50% -60% of the radius of the body, which provides a good compromise between mechanical stability and eddy current reduction.
  • the threaded spindle according to the invention is also suitable for use in Tauchkernspulen with two plunger cores, which are mounted on a common threaded spindle.
  • the threaded spindle preferably has two longitudinal sections, each with a different thread direction, wherein the two longitudinal sections can be slotted both separately and continuously (together).
  • the slots may also be non-aligned, i. be offset from each other to achieve a higher stability of the threaded spindle.
  • the removal takes place by thread milling, particularly preferably thread whirling.
  • the removal could also be done by thread chiselling, thread grinding, thread rolling, etc.
  • Fig. 1a comprises a plunger coil 1, a housing 2 with a coil 3 and a yoke 4, in the interior or air gap 5, a plunger 6 is mounted linearly movable to change the inductance of the coil 2 can.
  • the plunger core 6 is guided on an air gap 5 passing through cylindrical threaded spindle 7, which is rotatably mounted at its ends in the housing 2 and a housing-fixed core stump 8.
  • a nut 9 of the plunger core 6 is mounted on the thread 10 of the threaded spindle 7.
  • the nut 9 is arranged on the air gap 5 facing, "inner" side of the plunger 6.
  • the immersed core coil 1 can be cooled with air (not shown) or a liquid coolant such as transformer oil 13, which fills the housing 2 up to a filling level 14 and largely surrounds all components such as coil 3, yoke 4, plunger 6 and threaded spindle 7 ,
  • Fig. 1b shows an alternative embodiment of the plunger coil 1, which only in the following points of that of Fig. 1a different.
  • the threaded spindle 7 carries here in axially successive longitudinal sections 15, 16 two opposing threads 10, 10 ', on which the same moving dipping cores 6, 6' with nuts 9, 9 'are raised.
  • the nuts 9, 9 ' lie again on the inner, the air gap 5 associated sides of the plunger cores 6, 6', to keep the clamping length L of the threaded spindle 7 in the air gap 5 as low as possible.
  • the threaded spindle 7 In order to keep electrical eddy current losses in the interior of the threaded spindle 7 as well as eddy current-related local overheating ("hot spots") of the threaded spindle 7, which could lead to an undesired evaporation of the coolant 13, to be small, the threaded spindle 7 as in Fig. 2 to 4 formed trained or manufactured.
  • Fig. 2 to 4 is a cylindrical, metallic base body 17 of the threaded spindle 7 in those longitudinal sections 15, 16, which carry the threads 10, 10 ', with one or more (here: four) extending over the respective longitudinal section 15, 16 extending slots 18.
  • the slots 18 are each filled with a non-metallic insert 19 and thus interrupt the eddy currents that occur or limit them to an area between the slots 18.
  • the thread flanks or webs of the threads 10, 10 ' are also produced alternately from the metallic base body 17 and from the non-metallic insert 19, wherein the outer surface 20 of the base body 17 is in each case flush with the outer surface 21 of the deposits 19 completes to give the nuts 9, 9 'a good guide.
  • the slots 18 are preferably parallel to the axis 12 in their longitudinal direction, but may also be corrugated or oblique, e.g. helical, run, in particular normal to the pitch of the threads 10, 10 ', in order to achieve a lower abrasion during the movement of the nuts 9, 9'.
  • the slots 18 preferably protrude radially into the base body 17, but can also - in section of Fig. 3 seen - curved or incorporated in a secant direction in this.
  • the depth t of the slots 18 is preferably 30% -70% of the radius r of the threaded spindle 7 in the central region of the respective longitudinal section 15, 16 in order to achieve a good compromise between mechanical stability and eddy current reduction.
  • the end portions of the longitudinal sections 15, 15 may be rounded or shallow, as indicated at 22.
  • the slots 18 can optionally pass over both longitudinal sections 15, 16 of the threaded spindle 7, whereby eddy currents are prevented by the inserts 19 in the transition region of the threads 10, 10', or interrupted therebetween, as at 23 in Fig. 2 shown.
  • the slots 18 of one thread 10 may also be non-aligned with the slots 18 of the other thread 10 ', ie offset from each other by a certain angle about the longitudinal axis 12 to increase the stability of the threaded spindle 7.
  • the main body 17 of the threaded spindle 7 is particularly austenitic steel, which has sufficient stability properties, is heat and corrosion resistant and also is non-ferromagnetic.
  • any ferromagnetic or non-ferromagnetic metals, preferably non-rusting steels, can be used for the base body 17.
  • the inserts 19 may be made of any electrically non-conductive or non-metallic material.
  • a heat-resistant plastic material is used with e.g. a heat resistance of 250 ° C and a short-term temperature resistance of 300 ° C used to increase its mechanical ability optionally with a fiber reinforcement of e.g. Glass and / or carbon fibers is provided.
  • the fiber reinforcement of the inserts 19 may e.g. Fiber fabrics, scrims, rovings, knitted fabrics or nonwovens embedded in a resin matrix.
  • the inserts 19 can be embedded both in the slots 18 using a corresponding plastic as a pre-hardened semi-finished product, with or without fiber reinforcement, eg as a plastic or hard tissue strip, in which case the composite of semifinished product and adhesive forms the insert 18, or directly (“in situ ") are produced in the respective slot 18, for example, by filling plastic or synthetic resin in the slot 18, possibly also by inserting a fiber reinforcement in the form of fiber fabrics, plies, rovings, knitted or nonwoven fabrics, and then curing directly in the slot 18.
  • a fiber reinforcement in the form of fiber fabrics, plies, rovings, knitted or nonwoven fabrics and then curing directly in the slot 18.
  • As matrix for the fiber reinforcement and / or as an adhesive for example, two-component systems based on epoxy resin can be used.
  • the preparation of the threaded spindle 7 is preceded by the production of the metallic base body 17 by turning, milling, etc., in which also other manufacturing steps can flow, such as the production of paragraphs 24, assembly and drive holes 25, special surface treatments, etc.
  • the slots 18 are now made e.g. by milling, friction cutting or the like. incorporated into the body 17.
  • the inserts 19 are introduced into the slots 18 of the main body 17, wherein either a prepared semifinished product glued into the slots or a plastic material is cured directly in this, as described above.
  • the thread 10, 10 ' can be created. Possible manufacturing methods of the thread 10, 10 'are, for example, tapping, thread milling, thread whirling, thread spreader, thread grinding, thread rolling, thread rolling, etc.
  • the production of the thread 10, 10' on the already provided with the inserts 19 longitudinal sections 15, 16 of the body 17 achieves a flush or smooth transition on the outer surfaces 20, 21 of the thread flanks or webs, as in Fig. 4 shown.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)
  • Magnetically Actuated Valves (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tauchkernspule, eine Gewindespindel für eine Tauchkernspule und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gewindespindel.
  • Tauchkernspulen werden beispielsweise in Energieversorgungsnetzen als Erdschlusslöschspulen, die die Auswirkungen von Erdschlüssen durch Erdung eines Netzsternpunktes minimieren, oder als Kompensationsspulen eingesetzt, die den Blindstrom in elektrischen Netzwerken kompensieren. Bei Tauchkernspulen kann die Induktivität der Spule stufenlos verändert werden, indem ein von einer Gewindespindel angetriebener ferromagnetischer Kern (Tauchkern) im Luftspalt der Spule verstellt wird.
  • AT 338 920 B offenbart eine Tauchkernspule gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Gewindespindel für eine Tauchkernspule gemäß Oberbegriff von Anspruch 6.
  • Ferner offenbart auch DE 30 45 954 A1 eine Tauchkernspule und eine Gewindespindel für eine Tauchkernspule.
  • Tauchkernspulen in Energieversorgungsnetzen haben oft eine beträchtliche Größe mit entsprechend schwergewichtigen Tauchkernen, so dass aus Fertigungsgründen Gewindespindeln aus Metall, bevorzugt nicht-magnetischem bzw. austenitischem Stahl verwendet werden, welche die Spule durchsetzen. Das hohe magnetische Feld im Luftspalt der Spule erzeugt jedoch auch hohe Wirbelströme in einer solchen metallischen Gewindespindel, welche nicht nur elektrische Verluste bedeuten, sondern die Spindel auch zusätzlich erwärmen. Da Tauchkernspulen dieser Größe üblicherweise mit Öl gekühlt werden, kann es durch wirbelstrombedingte lokale Überhitzungen ("hot spots") der Gewindespindel zu lokalen Vergasungen des Öls kommen, welche dessen Kühlwirkung mindern und überdies das Öl vorschnell altern lassen.
  • Eine Lösung des Problems besteht darin, jenen Teil der Gewindespindel, der sich innerhalb des Luftspalts befindet, zu schlitzen, um die Ausbildung von Wirbelströmen dort einzudämmen. Dies bedeutet, dass der Tauchkern auf seiner dem Luftspalt abgewandten Seite auf der Gewindespindel geführt ist, was zu einer erhöhten Einspannlänge der Gewindespindel und somit zu einer erhöhten Baugröße der Tauchkernspule führt. Durch die erhöhte Einspannlänge nähert sich auch die Eigenresonanz der Gewindespindel der anregenden elektrischen Frequenz an, was schädliche Vibrationen erzeugt.
  • Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Tauchkernspule, eine Gewindespindel und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, welche die Nachteile des geschilderten Standes der Technik beseitigen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel mit einer Tauchkernspule erreicht, die eine Spule mit einem Luftspalt, eine den Luftspalt durchsetzende Gewindespindel mit einem zylindrischen Grundkörper aus Metall, und einen Tauchkern mit einer auf die Gewindespindel aufgezogenen Mutter umfasst, welche auf der dem Luftspalt zugewandten Seite des Tauchkerns liegt, wobei zumindest ein Längsabschnitt des Grundkörpers der Gewindespindel mit zumindest einem sich über den Längsabschnitt erstreckenden Schlitz versehen ist, welcher mit einer nicht-metallischen Einlage ausgefüllt ist, und wobei eine Außenoberfläche der Einlage mit einer Außenoberfläche des Grundkörpers über den Längsabschnitt ein Gewinde bildet.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird dieses Ziel mit einer Gewindespindel für eine Tauchkernspule erreicht, die einen zylindrischen Grundkörper aus Metall umfasst, wobei zumindest ein Längsabschnitt des Grundkörpers mit zumindest einem sich über den Längsabschnitt erstreckenden Schlitz versehen ist, welcher mit einer nicht-metallischen Einlage ausgefüllt ist, und wobei eine Außenoberfläche der Einlage mit einer Außenoberfläche des Grundkörpers über den Längsabschnitt ein Gewinde bildet.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Gewindes im Bereich der nicht-metallischen Einlage kann die Kernmutter des Tauchkerns auf der inneren, dem Luftspalt zugewandten Seite des Tauchkerns angeordnet werden, was nicht nur die freie Einspannlänge der Gewindespindel minimiert und ihre Eigenresonanzfrequenz von der Netzfrequenz entfernt, sondern auch eine überaus kompakte Baugröße der Tauchkernspule ermöglicht. Die den geschlitzten Gewindebereich außenbündig ausfüllende Einlage gewährleistet dabei eine störungsfreie Funktion des Gewindes. Gleichzeitig kommt es aufgrund der durchgehenden Schlitzung sowohl zu geringeren elektrischen Verlusten als auch zu einer geringeren Erwärmung der Gewindespindel. Dadurch werden lokale Überhitzungen ("hot spots") mit der Gefahr von lokalen Vergasungen des Kühlmittels vermieden, wodurch dessen Kühlwirkung erhalten bleibt und eine vorschnelle Alterung desselben vermieden wird. Im Ergebnis wird eine Tauchkernspule mit kompakter Bauform und verbesserter Leistung und Lebensdauer geschaffen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einlage aus einer in den Schlitz eingeklebten Faserverstärkungslage gebildet, z.B. mit Glas- und/oder Kohlefasern verstärkt. Dies ermöglicht eine Vorfertigung der Einlage als Halbzeug und anschließend ein einfaches Einbringen in den Schlitz. Die faserverstärkte Einlage dämmt nicht nur die Wirbelstromverluste ein, sondern trägt aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit auch zu einer Stabilitätserhöhung der Gewindespindel selbst bei. Durch entsprechende Wahl der Eigenschaften des Klebstoffs, mit dem die Faserverstärkungslage eingeklebt wird, z.B. der Zähigkeit bzw. des Elastizitätsmoduls des ausgehärteten Klebstoffs, kann überdies die Eigenresonanz der Gewindespindel selektiv beeinflusst werden.
  • In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einlage aus einem im Schlitz ausgehärteten, faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Dies erübrigt einen gesonderten Fertigungsschritt für die Einlage und die Verwendung eines gesonderten Klebstoffs; die Einlage kann gleichsam "in situ" gefertigt werden, woraufhin sie in einem Schritt den Schlitz vollständig ausfüllt.
  • Die genannten Schlitze können an sich beliebige Form haben, solange sie sich über den Längsabschnitt mit dem Gewinde erstrecken, z.B. wendelförmig über diesen verlaufend, insbesondere z.B. normal zur Steigung des Gewindes, um die Gewindereibung für die Kernmutter zu minimieren. Bevorzugt verlaufen der bzw. die Schlitze jedoch parallel zur Zylinderachse des Grundkörpers, was ihre Fertigung vereinfacht und die Verwendung gerader Materialstreifen für die Einlage gestattet.
  • Der bzw. die Schlitze brauchen nicht notwendigerweise radial in den Grundkörper hineinzuragen, beispielsweise könnten sie auch schräg von der zylindrischen Oberfläche des Grundkörpers ausgehen, falls gewünscht; bevorzugt ragen sie jedoch radial in den Grundkörper, d.h. gehen normal von seiner Oberfläche aus, um die Fertigung zu erleichtern.
  • Die Anzahl an Schlitzen pro Gewinde-Längsabschnitt der Gewindespindel kann an die Anforderung der auftretenden Wirbelströme angepasst werden, in einfachen Fällen oder für kostengünstige Ausführungsformen kann der Längsabschnitt z.B. nur einen einzigen Schlitz aufweisen. Besonders günstig ist es aber, wenn zumindest drei, bevorzugt vier bis sechs, Schlitze über den Umfang eines Längsabschnitts verteilt angeordnet werden, um die Ausbildung von Wirbelströmen weitgehend zu unterdrücken.
  • Bevorzugt beträgt die Tiefe jedes Schlitzes 30% - 70%, insbesondere bevorzugt 50% - 60%, des Radius des Grundkörpers, was einen guten Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und Wirbelstromreduktion schafft.
  • Die erfindungsgemäße Gewindespindel eignet sich auch für einen Einsatz in Tauchkernspulen mit zwei Tauchkernen, die auf eine gemeinsame Gewindespindel aufgezogen sind. In diesem Fall hat die Gewindespindel bevorzugt zwei Längsabschnitte mit jeweils unterschiedlicher Gewinderichtung, wobei die beiden Längsabschnitte sowohl separat als auch durchgehend (gemeinsam) geschlitzt sein können. Allenfalls können die Schlitze bzw. Einlagen auch nicht-fluchtend, d.h. gegeneinander versetzt sein, um eine höhere Stabilität der Gewindespindel zu erzielen.
  • In einem dritten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindespindel für eine Tauchkernspule, umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen eines im Wesentlichen zylindrischen Grundkörpers aus Metall;
    • Einarbeiten zumindest eines sich über einen Längsabschnitt des Grundkörpers erstreckenden Schlitzes in den Grundkörper;
    • Ausfüllen des Schlitzes mit einer nicht-metallischen Einlage; und
    • Abtragen einer Schicht des Grundkörpers und einer Schicht der Einlage im genannten Längsabschnitt, wobei damit dort ein Gewinde gebildet wird.
    Dadurch, dass die Einlage zunächst in den Schlitz eingebracht und erst anschließend das Gewinde sowohl aus dem Grundkörper als auch aus der Einlage erstellt wird, kann ein außenseitig bündiger Übergang zwischen Grundkörper und Einlage - also zwischen metallischen Material und nicht-metallischen Material - erstellt werden, wodurch in weiterer Folge eine zusätzliche Bearbeitung des Gewindes entfällt. Die Mutter des Tauchkerns kann so auf der Gewindespindel friktionsarm auf und ab gleiten und die Gefahr einer Beschädigung des Gewindes der Mutter durch die Kanten des bzw. der Schlitze wird minimiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Abtragen durch Gewindefräsen, besonders bevorzugt Gewindewirbeln. Alternativ könnte das Abtragen auch durch Gewindestrehlen, Gewindeschleifen, Gewindewalzen etc. erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1a eine erste Ausführungsform einer Tauchkernspule gemäß der Erfindung mit einem einzigen Tauchkern in einer schematischen Seitenansicht;
    • Fig. 1b eine zweite Ausführungsform einer Tauchkernspule gemäß der Erfindung mit zwei Tauchkernen in einer schematischen Seitenansicht;
    • Fig. 2 eine Gewindespindel gemäß der Erfindung für die Ausführungsform von Fig. 1b in einem Längsschnitt;
    • Fig. 3 die Gewindespindel von Fig. 2 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2; und
    • Fig. 4 einen Ausschnitt IV der Gewindespindel von Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht.
  • Gemäß Fig. 1a umfasst eine Tauchkernspule 1 ein Gehäuse 2 mit einer Spule 3 und einem Joch 4, in deren Inneren bzw. Luftspalt 5 ein Tauchkern 6 linearbeweglich gelagert ist, um die Induktivität der Spule 2 verändern zu können.
  • Zu diesem Zweck ist der Tauchkern 6 auf einer den Luftspalt 5 durchsetzenden zylindrischen Gewindespindel 7 geführt, welche an ihren Enden im Gehäuse 2 bzw. einem gehäusefesten Kernstumpf 8 drehbar gelagert ist. Eine Mutter 9 des Tauchkerns 6 ist dabei auf das Gewinde 10 der Gewindespindel 7 aufgezogen. Wird die Gewindespindel 7 von einem Motor 11 um ihre Zylinderachse 12 in Drehung versetzt (Pfeil R), führt der z.B. durch das Joch 4 linear-verschieblich und drehfest hindurchgeführte Tauchkern 6 aufgrund des Gewindes 10 und der Mutter 9 eine Translationsbewegung T parallel zur Zylinderachse 10 aus. Um die freie Spannweite ("Einspannlänge") L der Gewindespindel 7 zwischen Kernstumpf 8 und Mutter 9 zu minimieren und dadurch ihre mechanische Resonanzfrequenz zu erhöhen, ist die Mutter 9 auf der dem Luftspalt 5 zugewandten, "inneren" Seite des Tauchkerns 6 angeordnet.
  • Die Tauchkernspule 1 kann je nach Ausführungsform mit Luft (nicht gezeigt) oder einem flüssigem Kühlmittel wie Transformatoröl 13 gekühlt sein, welches das Gehäuse 2 bis zu einem Füllstand 14 ausfüllt und alle Komponenten wie Spule 3, Joch 4, Tauchkern 6 und Gewindespindel 7 weitgehend umgibt.
  • Fig. 1b zeigt eine alternative Ausführungsform der Tauchkernspule 1, welche sich nur in den folgenden Punkten von jener von Fig. 1a unterscheidet. Die Gewindespindel 7 trägt hier in axial aufeinanderfolgenden Längsabschnitten 15, 16 zwei gegenläufige Gewinde 10, 10', auf die sich gegengleich bewegende Tauchkerne 6, 6' mit Muttern 9, 9' aufgezogen sind. Die Muttern 9, 9' liegen dabei wieder auf den inneren, dem Luftspalt 5 zugeordneten Seiten der Tauchkerne 6, 6', um die Einspannlänge L der Gewindespindel 7 im Luftspalt 5 möglichst gering zu halten.
  • Um elektrische Wirbelstromverluste im Inneren der Gewindespindel 7 sowie wirbelstrombedingte lokale Überhitzungen ("hot spots") der Gewindespindel 7, welche zu einem unerwünschten Verdampfen des Kühlmittels 13 führen könnten, klein zu halten, wird die Gewindespindel 7 wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ausgebildet bzw. gefertigt.
  • Gemäß den Fig. 2 bis 4 wird ein zylindrischer, metallischer Grundkörper 17 der Gewindespindel 7 in jenen Längsabschnitten 15, 16, welche die Gewinde 10, 10' tragen, mit einem oder mehreren (hier: vier) sich über den jeweiligen Längsabschnitt 15, 16 erstreckenden Schlitzen 18 versehen. Die Schlitze 18 sind jeweils mit einer nicht-metallischen Einlage 19 gefüllt und unterbrechen damit die auftretenden Wirbelströme bzw. begrenzen diese auf einen Bereich zwischen den Schlitzen 18. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind dadurch auch die Gewindeflanken bzw. -stege der Gewinde 10, 10' jeweils in Umfangsrichtung gesehen abwechselnd aus dem metallischen Grundkörper 17 und aus der nicht-metallischen Einlage 19 gefertigt, wobei die Außenoberfläche 20 des Grundkörpers 17 dort jeweils bündig mit der Außenoberfläche 21 der Einlagen 19 abschließt, um den Muttern 9, 9' eine gute Führung zu gewähren.
  • Die Schlitze 18 sind in ihrer Längsrichtung bevorzugt parallel zur Achse 12, können aber auch gewellt oder schräg, z.B. wendelförmig, verlaufen, insbesondere normal zur Steigung der Gewinde 10, 10', um einen geringeren Abrieb bei der Bewegung der Muttern 9, 9' zu erreichen.
  • Wie in Fig. 3 gezeigt, ragen die Schlitze 18 bevorzugt radial in den Grundkörper 17 hinein, können aber auch - im Schnitt von Fig. 3 gesehen - gekrümmt oder in einer Sekantenrichtung in diesen eingearbeitet sein. Die Tiefe t der Schlitze 18 beträgt bevorzugt 30% - 70% des Radius r der Gewindespindel 7 im zentralen Bereich des jeweiligen Längsabschnitts 15, 16, um einen guten Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und Wirbelstromreduktion zu erzielen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, können die Endbereiche der Längsabschnitte 15, 15 rund auslaufen bzw. seichter werden, wie bei 22 angedeutet.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 1b mit zwei gegenläufigen Gewinden 10, 10' können die Schlitze 18 optional über beide Längsabschnitte 15, 16 der Gewindespindel 7 durchgehen, wodurch auch im Übergangsbereich der Gewinde 10, 10' Wirbelströme durch die Einlagen 19 verhindert werden, oder dazwischen unterbrochen sein, wie bei 23 in Fig. 2 gezeigt. Alternativ können die Schlitze 18 des einen Gewindes 10 auch nicht-fluchtend mit den Schlitzen 18 des anderen Gewindes 10' sein, d.h. um einen gewissen Winkel um die Längsachse 12 zueinander versetzt sein, um die Stabilität der Gewindespindel 7 zu erhöhen.
  • Für den Grundkörper 17 der Gewindespindel 7 eignet sich besonders austenitischer Stahl, der ausreichende Stabilitätseigenschaften aufweist, hitze- und korrosionsbeständig ist und zudem nicht-ferromagnetisch ist. Alternativ können beliebige ferromagnetische oder nicht-ferromagnetische Metalle, bevorzugt nicht-rostende Stähle, für den Grundkörper 17 eingesetzt werden.
  • Die Einlagen 19 können aus jeglichem elektrisch nichtleitenden bzw. nicht-metallischen Material gefertigt werden. Bevorzugt wird ein hitzebeständiges Kunststoffmaterial mit z.B. einer Wärmebeständigkeit von 250 °C und einer Kurzzeittemperaturbeständigkeit von 300 °C verwendet, das zur Erhöhung seiner mechanischen Fertigkeit optional mit einer Faserverstärkung aus z.B. Glas- und/oder Kohlefasern versehen ist. Die Faserverstärkung der Einlagen 19 kann z.B. Fasergewebe, -gelege, -rovings, -gewirke oder -vliese umfassen, die in eine Kunststoff- bzw. Kunstharzmatrix eingebettet sind.
  • Die Einlagen 19 können sowohl als vorausgehärtetes Halbzeug, mit oder ohne Faserverstärkung z.B. als Kunstoff- oder Hartgewebestreifen, in die Schlitze 18 unter Verwendung eines entsprechenden Kunststoffs eingebettet werden, wobei dann der Verbund aus Halbzeug und Klebstoff die Einlage 18 bildet, oder direkt ("in situ") im jeweiligen Schlitz 18 gefertigt werden, z.B. durch Einfüllen von Kunststoff oder Kunstharz in den Schlitz 18, gegebenenfalls auch unter Einlegen einer Faserverstärkung in Form von Fasergeweben, -gelegen, -rovings, -gewirken oder -vliesen, und anschließendes Aushärtenlassen direkt im Schlitz 18. Als Matrix für die Faserverstärkung und/oder als Klebstoff können beispielsweise Zweikomponentensysteme auf Epoxidharzbasis eingesetzt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Fertigungsprozesses der Gewindespindel 7 wird nun im Folgenden erläutert.
  • Der Herstellung der Gewindespindel 7 geht die Fertigung des metallischen Grundkörpers 17 durch Drehen, Fräsen etc. voraus, in die auch weitere Fertigungsschritte einfließen können, wie die Herstellung von Absätzen 24, Montage- und Antriebsbohrungen 25, spezielle Oberflächenbehandlungen usw.
  • In einem ersten Verfahrensschritt werden nun die Schlitze 18 z.B. durch Fräsen, Reibschneiden od.dgl. in den Grundkörper 17 eingearbeitet.
  • Im nächsten Schritt werden die Einlagen 19 in die Schlitze 18 des Grundkörpers 17 eingebracht, wobei entweder ein vorbereitetes Halbzeug in die Schlitze eingeklebt oder ein Kunststoffmaterial direkt in diesem ausgehärtet wird, wie oben beschrieben.
  • Ist die Einlage 19 bzw. der Klebstoff im Schlitz 14 ausgehärtet bzw. verfestigt, kann das Gewinde 10, 10' erstellt werden. Mögliche Herstellungsverfahren des Gewindes 10, 10' sind z.B. Gewindeschneiden, Gewindefräsen, Gewindewirbeln, Gewindestrehlen, Gewindeschleifen, Gewinderollen, Gewindewalzen etc. Die Fertigung des Gewindes 10, 10' auf dem bereits mit den Einlagen 19 versehenen Längsabschnitten 15, 16 des Grundkörpers 17 erzielt einen bündigen bzw. glatten Übergang an den Außenoberflächen 20, 21 der Gewindeflanken bzw. -stege, wie in Fig. 4 gezeigt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.

Claims (18)

  1. Tauchkernspule, umfassend eine Spule (3) mit einem Luftspalt (5), eine den Luftspalt (5) durchsetzende Gewindespindel (7) mit einem zylindrischen Grundkörper (17) aus Metall, und einen Tauchkern (6, 6') mit einer auf die Gewindespindel (7) aufgezogenen Mutter (9, 9'), welche auf der dem Luftspalt (5) zugewandten Seite des Tauchkerns (6, 6') liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Längsabschnitt (15, 16) des Grundkörpers (17) der Gewindespindel (7) mit zumindest einem sich über den Längsabschnitt (15, 16) erstreckenden Schlitz (18) versehen ist, welcher mit einer nicht-metallischen Einlage (19) ausgefüllt ist, wobei eine Außenoberfläche (21) der Einlage (19) mit einer Außenoberfläche (20) des Grundkörpers (17) über den Längsabschnitt (15, 16) ein Gewinde (10, 10') bildet.
  2. Tauchkernspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (19) aus einer in den Schlitz (18) eingeklebten Faserverstärkungslage gebildet ist.
  3. Tauchkernspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (18) parallel zur Zylinderachse (12) des Grundkörpers (17) verläuft und bevorzugt radial in den Grundkörper (17) ragt.
  4. Tauchkernspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei, bevorzugt vier bis sechs, Schlitze (18) über den Umfang des Längsabschnitts (15, 16) verteilt angeordnet sind.
  5. Tauchkernspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Tauchkerne (6, 6') aufweist, die auf eine gemeinsame Gewindespindel (7) aufgezogen sind, welche zwei Längsabschnitte (15, 16) mit jeweils unterschiedlicher Gewinderichtung hat.
  6. Gewindespindel für eine Tauchkernspule, umfassend einen zylindrischen Grundkörper (17) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Längsabschnitt (15, 16) des Grundkörpers (17) mit zumindest einem sich über den Längsabschnitt (15, 16) erstreckenden Schlitz (18) versehen ist, welcher mit einer nicht-metallischen Einlage (19) ausgefüllt ist, wobei eine Außenoberfläche (21) der Einlage (19) mit einer Außenoberfläche (20) des Grundkörpers (17) über den Längsabschnitt (15, 16) ein Gewinde (10, 10') bildet.
  7. Gewindespindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (19) aus einer in den Schlitz (18) eingeklebten Faserverstärkungslage gebildet ist.
  8. Gewindespindel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (19) aus einem im Schlitz (18) ausgehärteten, faserverstärkten Kunststoff gefertigt ist.
  9. Gewindespindel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (18) parallel zur Zylinderachse (12) des Grundkörpers (17) verläuft.
  10. Gewindespindel nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (18) radial in den Grundkörper (17) ragt.
  11. Gewindespindel nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) des Schlitzes 30% - 70% des Radius (r) des Grundkörpers (17) beträgt.
  12. Gewindespindel nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei, bevorzugt vier bis sechs, Schlitze (18) über den Umfang des Längsabschnitts (15, 16) verteilt angeordnet sind.
  13. Gewindespindel nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (7) zwei Längsabschnitte (15, 16) mit jeweils unterschiedlicher Gewinderichtung hat.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Gewindespindel für eine Tauchkernspule, gekennzeichnet durch die Schritte:
    Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Grundkörpers (17) aus Metall;
    Einarbeiten zumindest eines sich über einen Längsabschnitt (15, 16) des Grundkörpers (17) erstreckenden Schlitzes (18) in den Grundkörper (17);
    Ausfüllen des Schlitzes (18) mit einer nicht-metallischen Einlage (19);
    Abtragen einer Schicht des Grundkörpers (17) und einer Schicht der Einlage (19) im genannten Längsabschnitt (15, 16), wobei damit dort ein Gewinde (10, 10') gebildet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlage (19) eine Faserverstärkungslage in den Schlitz (18) eingebracht und darin eingeklebt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Einlage (19) ein faserverstärkter Kunststoff in den Schlitz (18) eingebracht und dort ausgehärtet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (18) parallel zur Zylinderachse (12) des Grundkörpers (17) und bevorzugt radial in den Grundkörper (17) eingearbeitet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen durch Gewindefräsen, bevorzugt durch Gewindewirbeln, erfolgt.
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