Festlegung der maximalen Stromdichte bei einer Spule

[Mathias85]

Hallo!

Ich würde bitte Hilfe bei der Festlegung der maximalen Stromdichte für die Spulen, welche ich zur induktiven Leistungsübertragung verwende, benötigen.

Ein paar Eckdaten zum System:

f=30kHz
Imax=1,5A
U=10V (Spannung am Schwingkreis ~40V(SS) )

Irgendwo habe ich einmal gelesen, dass man für die Stromdichte einen Wert um die 5A/mm² annehmen soll. Nur handelt es sich hierbei wohl um einen Gleichstrom und nicht wie in meinem Fall um einen Wechselstrom!

Der Skineffekt sollte ja bei 30kHz, aufgrund der Eindringtiefe kein Problem darstellen?

Rechnerisch bekomme ich bei 1.5A und 5A/mm² einen Drahtdurchmesser von 0.62mm heraus.

Nur praktisch verwende ich 0.224mm und habe überhaupt keine merkbare Wärmeentwicklung!

Wenn ich das mit den 0.224mm zurückrechne, dann erhalte ich für die aktuelle Stromdichte einen Wert von 38A/mm².

Übrigens das ganze benötige ich, da ich den Drahtdurchmesser weiter reduzieren muss, es jedoch nicht testen kann, da die Spule vorher gefertigt wird!

Anbei noch die Rechnung!

MfG, Mathias

[ranke]

Ohne, daß ich Deine Rechnung nachvollzogen hätte:

Das Kriterium, das die Stromdichte begrenzt, ist im allgemeinen ausschließlich die Erwärmung der Spule durch ohm'sche Verluste. Die maximale Temperatur und die Wärmeableitung hängen stark von der Bauart ab.

Wenn Du bereits eine Spule hast, kannst Du ja damit Versuche machen. Wenn die Geometrie der neu zu fertigenden Spule mit dem dünneren Draht ähnlich bleibt wie bei der bereits bestehenden Spule, dann dürften die eigenen Versuchsergebnisse deutlich zuverlässiger sein, als irgendwelche Angaben, die man mal irgendwo gelesen hat.

Die gemittelte Temperatur über die Spule läßt sich anhand der des temperaturabhängigen Widerstand messen.

[Mathias85]

Danke für deine Antwort, aber ich kann mir nur sehr schwer vorstellen wie ich von der Erwärmung der jetzigen Spule auf die Erwärmung der neuen Spule schließen soll?

Hier mal kurz ein paar Daten zur jetzigen Spule:

Außendurchmesser: 20mm
Innendurchmesser: 8mm
Höhe: 1.5mm
Windungszahl: 120
Drahtdurchmesser: 0.224mm
Widerstand: 3.3Ohm

Da die Höhe jetzt auf 1mm reduziert wird, ich die Windungszahl aber ungefähr gleich behalten muss, werde ich den Drahtdurchmesser ändern müssen.

Wenn ich jetzt beispielsweise 0.15mm statt 0.224mm als Drahtdurchmesser verwende, steigt zumindest rechnerisch die Stromdichte auf ungefähr das Doppelte! Nur inwiefern wirkt sich das Ganze dann auf die Temperatur aus?

MfG

[ranke]

...ich kann mir nur sehr schwer vorstellen wie ich von der Erwärmung der jetzigen Spule auf die Erwärmung der neuen Spule schließen soll?

Meine Überlegung war die folgende:

In der Spule gibt es eine bestimmbare Verlustleistung, die vom Spulenwiderstand und dem Stomfluß abhängt. Diese Verlustleistung fällt als Wärme an und muß in die Umgebung abgeleitet werden. Resultierend daraus wird sich im statiönären Zustand eine Erwärmung der Spule ergeben. Der Grad der Erwärmung hängt natürlich stark davon ab, wie gut die Wärme aus der Spule abgeleitet werden kann (also von Geometrie, Einbauverhältnissen etc.)

Wenn man eine neue Spule baut (mit ähnlicher Geometrie, Einbauverhältnissen), kann man den ohmschen Widerstand vorher errechnen und damit die entstehende Verlustleistung bei entsprechendem Stromfluß.

Mein Vorschlag ist, daß Du die vorhandene Spule schrittweise mit einer höheren Verlustleistung besanspruchst (das kann man sicher auch mit Gleichstrom machen, wenn es einfacher ist), so daß Du siehst, ab welcher Verlustleistung die Sache kritisch wird (aufgrund Temperatur). Das wird dann auch die Grenze der Verlustleistung der neuen Spule sein.

Die 1,5 A sind sicher kein Effektivwert?, das wären ja 7,5 W an 3,3 Ohm, das würde schon recht heiß werden bei der kleinen Baugröße.

[Mathias85]

pff.. an manchen Tagen sollte man besser zuhause bleiben

ich weiß auch nicht wie ich auf die 1.5A gekommen bin, habe da wohl die Eingangsleistung als Strom verwendet..

Tatsächlich sind es 140mA Effektivstrom!

Damit erklärt sich auch warum die Spule jetzt nicht warm wird.

Denn jetzt habe ich eine Stromdichte von 3.4A/mm².

Bei 0.15mm Drahtdurchmesser wären es dann knapp 8A/mm², was wahrscheinlich zu einer Erwärmung führen wird. Wie stark diese ausfallen wird und ob sie noch tolerierbar ist, wird sich wohl erst in einem Versuch zeigen lassen.

Ich werde jetzt aber auf alle Fälle mal die jetzige Spule mit der neuen Stromdichte, also mit entsprechend höherem Strom, beanspruchen.

Hier nochmal die aktuelle Berechnung und danke für die Hilfe:

[Besserwessi]

In erster Näherung ist die Erwärmung proportional zur Leistung. Bei vorgegebenem Strom ist die Leistung proportional zum Widerstand und damit proportional zur Stromdichte.

[Mathias85]

Hi!

Ich habe gestern noch meine jetzige Spule mit 350mA betrieben, was ungefähr der Stromdichte bei der nächsten Spule entspricht. (Ein bisschen mehr, da ja die Abmessungen kleiner sind und somit auch die Wärmeabfuhr).

Hierbei konnte ich eine Erwärmung feststellen, die aber wohl noch tolerierbar sein wird.

Nochamls danke für deine Hilfe!

MfG, Mathias