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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wärmebelastung drahtgewickelte Spule


Autor: Bernd Stromberg (Gast)
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Hallo,

ich habe mir eine mehrlagige Spule zusammengerechnet und probehalber 
gewickelt. Gewickelt wird mit 0.85er Kupferlackdraht (Durchmesser). Bei 
einer Windungszahl von 50 komme ich so auf eine Drahtlänge von 2.8 m, 
was einem Widerstand von 83 mOhm entspricht.
Durch diesen Draht sollen 5 A fließen, besser 10 A, aber nach der 
Rechnung habe ich das wieder verworfen.

Bei 5 A würden über diesem Draht eine Leistung von 2.08 W umgesetzt 
werden.
Würde der Draht das mitmachen oder ist das zu viel? Man muss 
fairerhalber sagen, dass dies der maximale Strom wäre, der aber in der 
Praxis eher sehr selten gefahren wird.

Vielen Dank an euch.

Autor: Sabberalot W. (jetztnicht)
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Die 2 W sind eine Sache. Aber wie sollen die weg ? Geschlossenes Gehause 
? Sollen/wuerden die einen Elko aufheizen ?

Was spricht gegen dickeren Draht ? Ein viertel des Verlustes waeren 
immer noch genug. Ich wuerd fuer eine Spule, dh schlechtere Waermeabgabe 
wie einzelner offener Draht, mit weniger als vielleicht 5A/mm^2 rechnen.

Autor: MaWin (Gast)
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Bernd Stromberg schrieb:
> Würde der Draht das mitmachen

Wahrscheinlich. So ein Draht darf leicht über 100 GradC heiss werden, je 
wärmer je kürzer die Lebensdauer, viele CuL Drähte gehen bis 185 GradC.

Kritischer wären also Plastikhalterumgen etc.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Bernd Stromberg schrieb:

> ich habe mir eine mehrlagige Spule zusammengerechnet und probehalber
> gewickelt. Gewickelt wird mit 0.85er Kupferlackdraht (Durchmesser).
> Bei 5 A würden über diesem Draht eine Leistung von 2.08 W umgesetzt
> werden.

> Würde der Draht das mitmachen oder ist das zu viel?

Kommt drauf an. Kupfer schmilzt bei ~1000°C, da wirst du mit 2W 
Heizleistung wohl nicht gleich hin kommen. Aber die Isolation dürfte 
wesentlich empfindlicher auf Erwärmung reagieren. Oder die Kontaktierung 
(gelötet?)

Der prinzipielle Zusammenhang ist so: Heizleistung führt zur Erwärmung 
gegenüber der Umgebung. Das führt zu einem Energieabfluß in die 
Umgebung. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, wo die 
Heizleistung und die abgestrahlte Leistung gleich sind.

Aus Beobachtungen weiß man, daß für eine gegebene Anordnung die 
Temperaturerhöhung (ungefähr) proportional zur Heizleistung ist. Den 
Proportionalitätsfaktor nennt man den Wärmewiderstand der Anordnung. 
Formelzeichen R_th, Einheit K/W (Kelvin pro Watt). Kennst du sicher als 
Angabe bei Kühlkörpern.

Konkret für deinen Fall: du muß den Wärmewiderstand deiner Spule 
herausfinden (notfalls schätzen). Dann weißt du, wieviel wärmer als die 
Umgebung deine Spule werden wird. Das vergleichst du dann mit der 
zulässigen Temperatur von Isolation, Kontaktierung etc.

Autor: Bernd Stromberg (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Konkret für deinen Fall: du muß den Wärmewiderstand deiner Spule
> herausfinden (notfalls schätzen). Dann weißt du, wieviel wärmer als die
> Umgebung deine Spule werden wird. Das vergleichst du dann mit der
> zulässigen Temperatur von Isolation, Kontaktierung etc.

Vielen Dank für den Hinweis. Mal sehen ob man diesen abschätzen kann.

Sabberalot W. schrieb:
> Die 2 W sind eine Sache. Aber wie sollen die weg ? Geschlossenes Gehause
> ? Sollen/wuerden die einen Elko aufheizen ?

Die Drossel befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse. Wahrscheinlich 
auch vergossen. Nein, keine Elkos.

Sabberalot W. schrieb:
> Was spricht gegen dickeren Draht ?

Platz. Das einzige was sich machen lässt wäre die Induktivität zu 
verringern, aber das hat wieder andere Nachteile. Es wird wohl wieder 
ein Kompromis werden.

Ich werde nicht darum herumkommen selber Messungen mit meinen Aufbau zu 
machen, aber die 2 W erscheinten mir auf den ersten Blick sehrn viel. 
Deswegen die Nachfrage bei euch.

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Bernd Stromberg schrieb:

> Bei 5 A würden über diesem Draht eine Leistung von 2.08 W umgesetzt
> werden.

2W dürften zumindest für den Lackdraht keine Probleme bringen.
In Netztrafos werden noch ganz andere Leistungen erzeugt. Dessen
Nennleistung wird nämlich nicht durch den Kernquerschnitt, sondern
allein durch dessen Möglichkeit, seine Verlustleistung loszuwerden,
begrenzt.

Autor: Armin X. (werweiswas)
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Moin

Ich hab jetzt die bisherigen Beiträge nur überflogen.
Bei Transformatoren rechnet man mit etwa 3A/mm²

MfG

Autor: Hauspapa (Gast)
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Welche Frequenz?

Autor: Bernd Stromberg (Gast)
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Hauspapa schrieb:
> Welche Frequenz?

50 Hz

Autor: L. H. (holzkopf)
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Bernd Stromberg schrieb:
> Bei 5 A würden über diesem Draht eine Leistung von 2.08 W umgesetzt
> werden.
> Würde der Draht das mitmachen oder ist das zu viel? Man muss
> fairerhalber sagen, dass dies der maximale Strom wäre, der aber in der
> Praxis eher sehr selten gefahren wird.

Für Spulen sind mir 2,5A/mm^2 geläufig.
Der Querschnitt Deines CuL hat ca. 0,57mm^2, weshalb der Draht nur mit 
ca. 1,4A dauerbelastbar ist.

Bernd Stromberg schrieb:
> Die Drossel befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse. Wahrscheinlich
> auch vergossen.

Wenn Du die Drossel nicht zwingend vergießen mußt, lass das besser 
bleiben, weil es die Wärmeabfuhr verschlechtert.
Kann als "Abschirm-Gehäuse" auch Lochblech in Frage kommen?

Und welchen A-Wert willst Du durchschnittlich fahren können?

Grüße

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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Armin X. schrieb:

> Bei Transformatoren rechnet man mit etwa 3A/mm²

Diese Angabe ist genausoschlecht wie die "berühmten"
1000µF/1A bei Siebelkos.

Autor: MaWin (Gast)
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Harald W. schrieb:
> Diese Angabe ist genausoschlecht wie die "berühmten"
> 1000µF/1A bei Siebelkos

Richtig. Aber manch einer hat einen kleinen Kopf in den nicht viel 
hinein geht
                        Windungen  Fläche        Stromdichte
Type    S  n/pri  n/sek  Afe  AFen  n/230V  Durchm.  innen  aussen  Eisengewicht
Kern    VA  Wdg/V  Wdg/V  cm2  cm2  Wdg.  mm pri  A/mm2  A/mm2  Gramm
M20/5    0,4  156,00  162,00  0,25  0,52          10,7
M30/7    1,4  80,00  82,50  0,49  1,30          33
M30/10    2  53,00  54,70  0,74  1,30          50
M42/10    5  22,00  22,50  1,80  2,70  5060  0,08  4,5  5,2  132
M55/20    15  11,50  12,00  3,40  4,00  2645  0,15  3,8  4,3  321
M65/27    30  7,30  7,50  5,40  5,60  1672  0,25  3,3  3,6  600
M74/32    50  5,35  5,50  7,36  7,10  1233  0,3  3,0  3,3  945
M85/32    70  4,18  4,30  9,43  7,60  963  0,4  2,9  3,3  1360
M102/33    120  3,26  3,35  12,10  11,60  749  0,55  2,4  2,8  2120
M102/52    180  2,20  2,25  17,90  11,60  506  0,7  2,3  2,7  3140
EI130/35  250  3,22  3,31  12,25  21,00  740  0,9  1,7  2,2  2440
EI130/45  290  2,50  2,58  15,75  21,00  575  1  1,7  2,1  3110
EI150/40  340  2,47  2,54  16,00  28,00  567  1,15  1,5  1,9  3670
EI150/50  430  1,97  2,03  20,00  28,00  452  1,3  1,5  1,9  4610
EI150/60  580  1,64  1,69  24,00  28,00  376  1,55  1,4  1,8  5620
EI170/65  750  1,35  1,39  29,25  38,00  310  1,8  1,3  1,7  7800
EI170/75  900  1,17  1,20  33,75  38,00  268  2  1,2  1,6  9010

Autor: L. H. (holzkopf)
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Nützt es dem TE irgendetwas, wenn hier Äpfel mit Birnen verglichen 
werden?

Oder ist er mit einem durchschnittlichen Stromdichte-Wert, der übrigens 
auch in entspr. Auslegungs-Fachbüchern genannt wird, nicht besser 
bedient?

Von der Drossel wissen wir bisher nur, daß sie mehrlagig gewickelt und 
abgeschottet in einem Gehäuse ist.
Womöglich auch noch vergossen.
Also mit hundsmiserabler Wärmeabfuhr-Möglichkeit.

Unter diesen Randbedingungen ohne weiteres das hier vom Stapel zu 
lassen:
MaWin schrieb:
> Bernd Stromberg schrieb:
>> Würde der Draht das mitmachen
>
> Wahrscheinlich. So ein Draht darf leicht über 100 GradC heiss werden, je
> wärmer je kürzer die Lebensdauer, viele CuL Drähte gehen bis 185 GradC.

halte ich offengestanden für wenig zielführend wenn nicht sogar 
unangebracht leitsinnig! :)
Weil es NICHT darum geht, welche T der CuL "mitmacht", sondern darum, 
daß die Dauerbetriebs-Festigkeit der Drossel erreicht werden kann.
Und da ist bei Elektromaschinen (auch ruhenden) bei 60°C nun mal das 
Ende der Fahnenstange erreicht.

@ Bernd Stromberg:
Nachdem Du die Drossel nun schon gewickelt hast, pack sie in ein Gehäuse 
ein und betreib sie mal so, wie Du das willst.
Kontrollier aber dabei bitte die T-Entwicklung.
Alles andere nützt Dir nämlich m.E. nichts, weil es ggf. vorzeitig 
verreckt.
Umwickeln kannst Du ggf. die Drossel ja immer noch. ;)

Grüße

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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L. H. schrieb:
> Wenn Du die Drossel nicht zwingend vergießen mußt, lass das besser
> bleiben, weil es die Wärmeabfuhr verschlechtert.

Nicht notwendigerweise.

Luft ist ein verdammt schlechter Wärmeleiter. Nahezu alles andere (ja, 
ok, außer Vakuum) ist besser. Wenn man nur geringe Temperaturüberhöhung 
anstrebt, ist Verguß besser; weil da Wärmeleitung überwiegt gegenüber 
Wärmestrahlung. Der unangenehme Effekt bei Verguß besteht darin, daß man 
Bauteile aufheizt, die sonst eher kühl geblieben wären.

Autor: L. H. (holzkopf)
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Axel S. schrieb:
> Luft ist ein verdammt schlechter Wärmeleiter. Nahezu alles andere (ja,
> ok, außer Vakuum) ist besser...

Ist zweifellos ein unbestreitbares Argument. :)

Andererseits kann aber Luft-Kühlung durchaus tauglich sein.
Sei es z.B. bei Prozessoren in Laptops, ohne die ich Dir gar nicht 
antworten könnte, oder auch z.B. bei Verbrennungs-Motoren (Deutz, Hatz 
o.ä.)

Nun wird der TE wohl kaum ein Luft-Gebläse zur Kühlung seiner Drossel 
einbauen wollen, aber wenn schon der eine oder andere mit Trafo-Daten 
daherzukommen beliebt, muß m.E. schon auch die Frage zulässig sein, 
inwieweit solche Daten völlig kritiklos auf den Anwendungsfall des TE 
(vergleichbar) übertragbar sind.
Noch dazu ohne genaue Kenntnis des Sachverhaltes bei der Drossel des TE!

Was wir dazu definitiv wissen, umriß ich bereits, so weit ich das 
richtig verstanden habe.
Wogegen ich aber prinzipiell geneigt bin, mich zu wehren, ist, mich auf 
Grund mangelnder Kenntnis von Sachverhalten auf Argumente einzulassen, 
die ungefähr genau so viel wert sind, wie wenn man in die Milchkugel von 
Wahrsagern schaut. ;)

Bei Luftkühlung zur Wärmeabfuhr kann auch stinknormale Konvektion 
tauglich sein.
Nicht umsonst fragte ich den TE danach, ob für seine "Abschirm-Zwecke" 
auch Lochblech in Frage kommt.

Die vom Kollegen MaWin angeführten Trafo-Daten "leben" auch nur von der 
möglichen Konvektion bei Trafos.

Wissen wir, inwieweit das tatsächlich mit der Drossel-Konstellation beim 
TE vereinbar ist?
Ich weiß das leider nicht definitiv.
Weshalb ich mich zunächst auch lieber an bekanntermaßen zuverlässigen 
Durchschnitts-Werten bzgl. Stromdichte orientiere.

Und zwar exakt solchen Werten, bei denen keinerlei "Theater" bzgl. 
Dauerbetriebs-Festigkeit zu erwarten ist.
Dazu müssen die nach h.M. anerkannten 2,5A/mm^2 erst mal widerlegt 
werden!

Und zwar NICHT mit irgendeinem gar nicht vergleichbaren Firlefanz, 
sondern mit Argumenten, die im Einzelfall auch tatsächlich stichhaltig 
sind. :)

Übrigens halte ich den Wert von ca. 2,5A/mm^2 bzgl. des mir bisher 
Bekannten zur Drossel des TE eher für zu hoch angesetzt.
Naja, seine T-Messungen können uns vielleicht eines Besseren belehren. 
:D

Grüße

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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L. H. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Luft ist ein verdammt schlechter Wärmeleiter. Nahezu alles andere (ja,
>> ok, außer Vakuum) ist besser...
>
> Ist zweifellos ein unbestreitbares Argument. :)
>
> Andererseits kann aber Luft-Kühlung durchaus tauglich sein.
> Sei es z.B. bei Prozessoren in Laptops, ohne die ich Dir gar nicht
> antworten könnte, oder auch z.B. bei Verbrennungs-Motoren (Deutz, Hatz
> o.ä.)

Äpfel und Birnen.

Der TE hat ein geschlossenes Gehäuse. Jeder Weg, Wärme aus dem Gehäuse 
heraus zu bekommen, führt über dessen Oberfläche. Ab da kann (und wird) 
dann Luft den Job übernehmen. Allerdings muß die Wärme erst mal von der 
Drossel zum Gehäuse gelangen. Und weil man eine Drossel (anders als z.B. 
ein TO-220 Gehäuse) nicht einfach innen an das Gehäuse schrauben kann, 
muß irgendein Medium innerhalb des Gehäuses den Wärmetransport 
übernehmen. Und da ist dann Vergußmasse (Epoxidharz, Silikongummi, 
etc.) allemal besser als Luft. Sinnvollerweise würde man die Drossel und 
andere Bauteile, die warm werden, nahe an den Rändern der Platine 
plazieren, damit der Weg zur Gehäusewand kurz ist.

Wir können gern bei deinem Beispiel bleiben. Wenn ein Computer ein 
geschlossenes Gehäuse hat, dann bindet man den Prozessor auch thermisch 
gut an selbiges an. Man macht Wärmeleitpaste zwischen Heatspreader und 
Wärmeleitvorrichtung (Bleche, Heatpipes) - weil die Paste Wärme besser 
leitet als Luft. Und man füllt eine Heatpipe nicht mit Luft, sondern mit 
einem anderen Medium, das Wärme gut leitet.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Konkret für deinen Fall: du muß den Wärmewiderstand deiner Spule
> herausfinden (notfalls schätzen). Dann weißt du, wieviel wärmer als die
> Umgebung deine Spule werden wird.

Das gewickelte Kupfer wird eine halbwegs homogene Temperatur besitzen, 
weil der dominante Wärmewiderstand/Wärmeübergangswiderstand zwischen 
Spulte und Umgebung liegt. Da braucht man nicht zu schätzen, sondern 
kann einfach mal messen.

Die lineare Änderung der Leitfähigkeit des Kupfers liegt bei 20°C um 
0.004 1/K, d.h. bei einer Temperaturerhöhung von 20°C auf noch 
tolerierbare 70°C steigt der Widerstand deiner Spule auf das 1.2-fache.
Baue also eine vernünftige 4-Leiter-Messung (Kelvin-Anschluss) für den 
Widerstand auf und benutze den eingespeisten Messstrom gleichzeitig zum 
Heizen. Damit kannst du die Spulentemperatur recht direkt messen. Bei 
einer Spule mit dickerem Draht sinkt im Wesentlichen die Verlustleistung 
- entsprechend sinkt die Temperaturerhöhung.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Man macht Wärmeleitpaste zwischen Heatspreader und
> Wärmeleitvorrichtung (Bleche, Heatpipes) - weil die Paste Wärme besser
> leitet als Luft.

Wärmeleitpaste wirkt im wesentlichen nicht durch ihre 
Wärmeleitfähigkeit. Die spielt bei zu überbrückenden Entfernungen in der 
Größenordnung der Rauhigkeit der Metalloberfläche (25µm) kaum eine 
Rolle. Entscheidend ist der wesentlich kleinere 
Wärmeübergangswiderstand Metall-Paste verglichen mit Metall-Luft.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Wolfgang schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Man macht Wärmeleitpaste zwischen Heatspreader und
>> Wärmeleitvorrichtung (Bleche, Heatpipes) - weil die Paste Wärme besser
>> leitet als Luft.
>
> Wärmeleitpaste wirkt im wesentlichen nicht durch ihre
> Wärmeleitfähigkeit. Die spielt bei zu überbrückenden Entfernungen in der
> Größenordnung der Rauhigkeit der Metalloberfläche (25µm) kaum eine
> Rolle. Entscheidend ist der wesentlich kleinere
> Wärmeübergangswiderstand Metall-Paste

Darüber möchtest du vielleicht nochmal nachdenken.

Es geht um den Wärmeübergangswiderstand vom Bauteil zum Kühlkörper. Der 
Unterschied zwischen Montage mit Paste vs. ohne Paste liegt eben darin, 
daß einmal Luft in den Unebenheiten zwischen den beiden metallischen 
Flächen ist und das andere Mal Paste. Einmal ein thermischer Isolator 
und einmal ein thermischer Leiter (naja, halbwegs).

Autor: Wolfgang (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Darüber möchtest du vielleicht nochmal nachdenken.

Warum?

Bei Montage eines Bauelements mit/ohne Wärmeübergangspaste tritt der 
Übergang Metall-Paste bzw. Metall-Luft natürlich zweimal auf.

Axel S. schrieb:
> Einmal ein thermischer Isolator und einmal ein thermischer Leiter
> (naja, halbwegs).

Und nochmal NEIN. Rechne einfach mal nach.
Es geht nicht um die Wärmeleitfähigkeit des dazwischenliegenden Mediums, 
denn die schlägt bei den Schichtdicken, im Vergleich zum 
Wärmeübergangswiderstand zwischen den Medien, nur marginal zu Buche.

Autor: L. H. (holzkopf)
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Axel S. schrieb:
>> Andererseits kann aber Luft-Kühlung durchaus tauglich sein.
>> Sei es z.B. bei Prozessoren in Laptops, ohne die ich Dir gar nicht
>> antworten könnte, oder auch z.B. bei Verbrennungs-Motoren (Deutz, Hatz
>> o.ä.)
>
> Äpfel und Birnen.

Nix Äpfel und Birnen - denn dem weiteren Kontext ist entnehmbar, was 
eigentlich als Kühlung anzustreben ist:
Konvektion direkt an der Spule. ;)

Denn genau genommen ist nur ruhende Luft ein recht guter 
"Wärme-Isolator". :)
Ermöglicht/eröffnet man der Luft jedoch eine freie 
Strömungs-Möglichkeit, sieht das schon ganz anders aus.

Axel S. schrieb:
> Der TE hat ein geschlossenes Gehäuse. Jeder Weg, Wärme aus dem Gehäuse
> heraus zu bekommen, führt über dessen Oberfläche. Ab da kann (und wird)
> dann Luft den Job übernehmen.

Wie "geschlossen" das Gehäuse sein muß, wissen wir bis jetzt noch nicht.
Und nein - nicht jeder Weg der Wärmeabfuhr führt über die 
Gehäuse-Oberfläche.
Jedenfalls dann nicht, wenn das Gehäuse aus Lochblech besteht.
Weil dann Konvektion im Gehäuse, also direkt an der Spule, stattfinden 
kann. ;)

Sollte ein Lochblech nicht verbaut werden können, kann man auch darüber 
nachdenken, ob unten- und obenliegende Schlitze oder Bohrungen im 
Gehäuse "verkraftbar" sind, um Konvektion an der Spule erreichen zu 
können.

Grüße

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