Was sind elektrische Sammelschienen?

Eine elektrische Sammelschiene ist eine Metallschiene, ein Streifen, ein Rohr oder eine Stange, die Strom sicher und mit minimalen Energieverlusten von einem Ort zum anderen leitet. Sie werden häufig anstelle von Drähten oder Kabeln für Hochstromverteilung, Hochspannungsgeräte und Niederspannungsbatterieanwendungen verwendet. Die meisten Sammelschienenkonfigurationen sind nicht isoliert, um die Konvektionskühlung zu verbessern und einen einfachen Zugang für neue Anschlüsse zu ermöglichen. Da die meisten Sammelschienen mit dreiphasigem Strom höherer Spannung arbeiten, umfassen viele elektrische Sammelschienensysteme drei separate Leiter, die für ein sicheres und effizientes Zusammenwirken ausgelegt sind. 

Ingenieur*innen, die Sammelschienen für elektrische Anwendungen entwickeln, müssen Platz, Kosten, Sicherheit, Widerstand, Kapazität und Induktivität zwischen den Füßen oder in der Nähe leitenden Materialien, Montageoptionen und Kühlung in Einklang bringen. Aufgrund dieser oft widersprüchlichen Anforderungen ist die elektrische, magnetische, thermische und strukturelle Simulation für den Designprozess von entscheidender Bedeutung.

Ingenieur*innen setzen Sammelschienen in elektrische Systeme ein, wo sie Konstruktionsvorteile gegenüber Drähten oder Kabeln bieten. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

Schaltanlage für elektrische Stromversorgung

Schaltanlagen werden in elektrischen Stromversorgungssystemen als Schalter, Sicherungen und Leistungsschalter zum Schutz, zur Steuerung und zur elektrischen Trennung elektrischer Geräte eingesetzt, häufig in Stromerzeugungsanlagen oder Umspannwerken. Sammelschienen verbinden Komponenten wie Transformatoren, Sicherungen und Industriemaschinen. Sie können auch den Strom innerhalb eines Geräts verteilen.

Buskanäle oder Busschienen

Buskanäle sind lange Gehäuse mit Sammelschienen oder Kabeln, die als Stromversorgungssteckverbinder von einem Standort zum anderen verwendet werden. Busschienen bestehen aus Metallkanälen oder Gießharzstrukturen, die Sammelschienen enthalten. In Energieversorgungsanwendungen werden sie häufig aus in Beton eingebetteten Kabelkanälen hergestellt.

Stromverteilungsplatinen 

Stromverteilungsplatinen werden in Gebäuden zur Stromverteilung verwendet, wobei die eingehenden Stromabzweige in separate Stromkreise aufgeteilt werden. Vertikale oder horizontale Platinen werden strategisch platziert, und Schaltkreise werden durch Gewindebohrungen miteinander verbunden. Das System befindet sich entweder in einem geerdeten Schrank oder an einem erhöhten Ort. 

Batteriestromverteilung

Sammelschienen sind aufgrund ihrer Steifigkeit und dünnen Geometrie der bevorzugte Weg zur Verbindung von Batteriepaketen in Elektrofahrzeugen und Stromspeicheranwendungen. Im Gegensatz zu den meisten Anwendungen verwenden Batteriesysteme der Elektrofahrzeuge aufgrund des geringeren Gewichts manchmal isolierte Sammelschienen aus Aluminium anstelle von nicht isolierten Kupferschienen. 

Erneuerbare Energieanlagen

Effizienz ist entscheidend für Solar-, Wind-, Wasserkraft- und andere erneuerbare Energieanlagen. Sammelschienen bieten eine effiziente, zuverlässige und robuste Methode zur Übertragung und Bereitstellung von Energie innerhalb der Geräte, die in Anwendungen mit erneuerbarer Energie verwendet werden, mit höherer Effizienz und Flexibilität. 

Industriemaschinen

Industrielle Geräte beziehen Strom von Stromverteilungsplatinen und verwenden Sammelschienen intern für die Stromverteilung von der Stromversorgungszuführung zu den Zuleitungen, die zu stromführenden Komponenten im System führen. 

Elektronische Geräte

Obwohl wir normalerweise an Sammelschienen für die Leistungsübertragung und Hochleistungsgeräte denken, verwenden die Konstrukteur*innen sie aus denselben Gründen bei elektronischen Geräten, insbesondere in der Leistungselektronik. Dank des dünnen Formfaktors und des geringeren Gewichts sind sie eine gute Wahl für die Lösung von Verpackungsproblemen oder für die Wärmeverteilung. 

Lieferanten haben eine Vielzahl von Sammelschienentypen entwickelt, um die Anforderungen einer wachsenden Zahl von Anwendungen zu erfüllen. Sammelschienen können nach folgenden Merkmalen gruppiert werden:

Material

Lieferanten stellen Sammelschienen aus jedem leitenden Material her, aber die meisten verwenden Kupfer oder Aluminium. Kupfermetall hat nach Silber die zweithöchste Leitfähigkeit. Aluminium ist das viertgrößte leitfähige Metall, aber es ist leichter und kostengünstiger als Kupfer. Sowohl Aluminium- als auch Kupferstäbe sind in der Regel mit Zinn-, Nickel- oder Silberbeschichtungen galvanisiert, um Korrosion zu reduzieren und die Gesamtleistung zu verbessern. 

Form

Die Form der Sammelschienen beeinflusst ihre Leitfähigkeit aufgrund des Skin-Effekts und der Wärmeübertragung von der Leiste. In den meisten Fällen ist das Ziel ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Querschnittsfläche. 

Hier ist eine Liste der gebräuchlichsten Formen:

• Starre Sammelschiene (Flache Sammelschiene): Die am häufigsten verwendete Form ist eine lange, dünne, steife Schiene. Sie werden häufig zum Zeitpunkt der Herstellung entsprechend den spezifischen Anforderungen geformt. 
• Sammelschienen mit speziellem Querschnitt: Einige Sammelschienen verwenden „U“-, „T“- oder „L“-förmige Querschnitte, um eine größere Biegesteifigkeit zu erzielen, die Oberfläche zu vergrößern und mehr Anschlussmöglichkeiten zu bieten. 
• Laminierte oder flexible Sammelschienen: Flexible Sammelschienen werden durch Laminieren dünner Metallstreifen oder Folien erzeugt. Dadurch werden nicht nur die Sammelschienen flexibler, sondern auch die Gesamtfläche und damit die Leitfähigkeit erhöht. 
• Runde Sammelschiene: Sammelschienen mit festem oder hohlzylindrischem Querschnitt werden für Hochstromanwendungen verwendet, bei denen größere Steifigkeit, Drehung oder Flexibilität bei der Installation erforderlich sind. 
• Isolierung: Eine andere Möglichkeit, eine Art von Sammelschiene zu unterscheiden, besteht darin, wie sie von der umgebenden Struktur isoliert ist. In einigen Fällen ist sie mit einem isolierenden Polymer beschichtet oder kann isoliert sein und durch isolierte Halterungen oder Isolatoren befestigt werden.

Strombelastbarkeit und Art

Eine einphasige Sammelschiene hat zwei Stromkreise: Einen stromführenden und einen anderen stromlos. Dreiphasige Sammelschienen verwenden vier Leiter, einen für jede Phase und einen anderen als Neutralleiter. Wo ein- und dreiphasige Typen mit Wechselstrom (AC) arbeiten, führen einige Sammelschienen Gleichstrom (DC).

Ingenieur*innen wählen Sammelschienen aus vielen Gründen aus, in der Regel aus Kosten, Leistung und Sicherheit. In den meisten Fällen bestimmen die folgenden Eigenschaften die Wahl von Sammelschienen gegenüber anderen Optionen der Stromverteilung:

• Vereinfachte Stromverteilung: Sammelschienen verbinden viele elektrische Verbindungen zu einem zentralen Hub. Dies ist einfacher zu entwerfen und zu warten als komplexe Verdrahtungen.
• Geometrische Flexibilität: Sammelschienen können in nahezu jeder Form hergestellt werden und passen für nahezu jede Anwendung. 
• Einfache Verbindung: Sammelschienen benötigen keine komplexen elektrischen Verbindungen. Wenn Strom benötigt wird, müssen Sie nur einen Draht an die Oberfläche verbinden.
• Formfaktor: Die dünne Topologie von Sammelschienen hilft, die Leistung auf beengten Räumen zu verteilen, wie man sie in Batteriepaketen, Elektronikgeräten oder Industriemaschinen erkennen kann. 
• Steifigkeit: Die strukturelle Steifigkeit der Sammelschienen macht das Kabelmanagement überflüssig. Sie können zur Gesamtfestigkeit der Struktur beitragen und größere Strecken überbrücken. 
• Kosteneffizienz: Sammelschienen können weniger kosten als Verdrahtungsoptionen. Außerdem sind die Installation, Wartung und Reparatur kostengünstiger. 
• Nachhaltigkeit: Da sie überwiegend aus massivem Kupfer oder Aluminium bestehen, sind Sammelschienen leicht zu recyceln. 

Wie aus verschiedenen Arten von Sammelschienen ersichtlich ist, haben Ingenieur*innen eine große Auswahl an Material, Konfiguration, Beschichtungen und Geometrie. Multiphysik-Simulationstools sind eine perfekte Ergänzung des Konstruktionsprozesses, da sie eine schnelle und genaue Möglichkeit bieten, die Interaktion von elektromagnetischen Feldern, Wärmeerzeugung, Wärmeübertragung und struktureller Reaktion zu verstehen. 

Ingenieur*innen möchten ihre Sammelschienenkonstruktionen optimieren, um maximale Effizienz zu erzielen, sicher zu arbeiten und Kosten zu minimieren. Sobald sie wissen, was die Verlegung des Stromkreises ist, können sie ein niederfrequentes elektromagnetisches Modell in einem Programm wie dem fortschrittlichen elektromagnetischen Field-Solver von Ansys Maxwell® erstellen, um das elektromagnetische Feld, die Wärmeerzeugung und die Verluste aufgrund von Widerstand, Kapazität und Induktivität zu berechnen. Sie können die Geometrie automatisch optimieren oder sich an Was-wäre-wenn-Studien beteiligen, um die beste Form für jedes Modul in ihrer Sammelschiene zu bestimmen. 

Simulation der Stromdichte auf Dreiphasen-Sammelschienen mit Ansys Maxwell

Wenn die Anwendung mehrere Schaltkreise umfasst, wie in einer dreiphasigen Anwendung, können Ingenieur*innen mit der elektromagnetischen Simulationssoftware für parasitäre Extraktion Ansys Q3D Extractor® das gesamte System schnell modellieren und die Parasiten-Parameter für frequenzabhängigen Widerstand, Induktivität, Kapazität und Leitfähigkeit (RLCG) berechnen.

Anschließend wird ein allgemeines strukturelles, thermisches Tool wie die Ansys Mechanical™ Finite-Elemente-Analysesoftware eingesetzt, um thermische Spannungen zu untersuchen, sicherzustellen, dass keine der Eigenfrequenzen ein Vielfaches der elektrischen Betriebsfrequenz ist, und um die allgemeine Systemsteifigkeit zu bewerten.

Zugehörige Ressourcen