<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur besseren Ausnützung von magnetisch leitenden Materialien von Spulen oder allgemeiner von Wickelgütern in leistungselektronischen Konvertern.
Bei der Energieumsetzung leistungselektronischer Systeme dienen Induktivitäten bzw. gekoppelte Induktivitäten zur magnetischen Zwischenspeicherung von Energie. Bei einer grossen Zahl von Schaltungstopologien, wie den häufig verwendeten Drosselwandlern zur Gleichspannungsumformung (Hochsetzer-Boostkonverter, Tiefsetzer-Buckkonverter, Hoch/Tiefsetzer-Buck/ Boostkonverter), aber auch bei anderen Strukturen wie dem Sperrwandler oder Durchflusswandler, wird zwecks besserer Ausnutzung des Magnetmaterials und zur Verringerung der Spitzenstrombelastung der kontinuierliche Betrieb (continuous inductor current mode) gewählt.
Auch aus regelungstechnischer Sicht ist es vorteilhaft, wenn sich die Betriebsart des Konverters nicht ändert, d. h. der Konverter nicht zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Betrieb (discontinuous inductor current mode) wechselt. Ist ein Betrieb mit kleinen Lasten (geringer Leistung) gefordert, führt dies zu relativ grossen Induktivitäten, da der erforderliche Induktivitätswert vom minimalen Laststrom abhängt. Die Grösse des erforderlichen Luftspalts ist vom maximal auftretenden Induktivitätsstrom und daher vom maximalen Laststrom abhängig. Je grösser jedoch der Luftspalt ist, umso mehr Windungen sind erforderlich, um den gewünschten Induktivitätswert zu erzielen.
Die Kernmaterialien haben einen über den Querschnitt konstanten Luftspalt. Dadurch bleibt der Induktivitätswert unabhängig vom durchfliessenden Strom (solange die Spule nicht in Sättigung kommt) konstant. Macht man jedoch den Luftspalt nicht gleichmässig, sondern über den Querschnitt veränderlich, so wird bei kleinen Strömen, bei denen daher nur eine geringe magnetische Energie zu speichern ist, der magnetische Fluss sich über den Eisenkreis schliessen, ohne wesentlich über den Luftspaltbereich zu fliessen. Der AL-Wert des Kernmaterials ist daher hoch und der Induktivitätswert der Spule gross. Mit steigendem Strom wird der entstehende Fluss immer mehr auch über den Luftbereich fliessen, der Kernbereich in unmittelbarer Nähe dieses Luftbereichs wird zu sättigen beginnen und das vom magnetischen Fluss durchflossene Luftvolumen wird grösser.
Mit der dadurch erfolgenden Vergrösserung des Luftspalts kommt es zu einer Verringerung des AL-Werts und damit zu einer Verringerung des Induktivitätswertes. Durch die Veränderung der Luftspaltform erreicht man für kleine Ströme einen grösseren Induktivitätswert, der sich mit zunehmendem Strom verringert. Man benötigt daher nur kleinere Induktivitäten, da der Induktivitätswert nicht durch den geringsten Laststrom bestimmt werden muss. Dies führt zu einer Verkleinerung des Gerätes und so zu kompakterem kleinem Aufbau.
Je nach dem wie der Querschnitt des Magnetmaterials ausgeführt ist, rund oder rechteckig, ist der Kern im Bereich des Luftspalts in Kegel- oder Kegelstumpfform, bzw. in Pyramiden- oder Pyramidenstumpfform ausgeführt. Über die Form des Luftspalts wird auch das magnetische Streufeld beeinflusst. Man erreicht damit ein geringes Streufeld bei kleineren Strömen. Die Magnetkerne können auch verschieden geformte Rillen und Drehflächen aufweisen.
Das Verfahren ist auch besonders interessant bei DC/DC Wandlern mit Spartransformatoren, weil hier zusätzlich das Übertragungsverhalten verändert wird.
In EP 385 220 A1 (TDK Corp. ) sind verschiedene Luftspaltausformungen vorgeschlagen, die eine Verformung des Kernmaterials von je einem Kegelstumpf, einer Bombierung, diverse Anschnitte eines Kegels und eines Pyramidenstumpfes nach sich ziehen.
Ebenso sind in EP 999 564 A1 (Lincoln Global) bestimmte Ausbildungen des Luftspalts dargestellt. An einem U-Kern wird die Stirnfläche der beiden Kernhälften so geschliffen, dass eine etwa rautenförmige Querschnittsform des Luftspalts entsteht.
Bei der gegenständlichen Erfindung wird durch die Detailausformung des Luftspalts mit rillenförmiger Oberfläche und den dabei verwendeten mehreren pyramiden- und/oder kegelartigen, bzw. pyramiden- und/oder kegelstumpfartigen Erhebungen, ein sehr gleichmässiger Aufbau des Feldes im Luftspalt und - was für die Anwendung besonders günstig ist - eine geringe Streuung
<Desc/Clms Page number 2>
erreicht.
Die Abbildungen skizzieren beispielhaft Ausführungsformen und Schnittformen des Magnetmaterials, um durch die Ausformung des Luftspalts stromabhängige Induktivitäten zu erzielen. Figur 1 zeigt eine in Grund- und Aufriss (Fig.1.a) und Schrägriss (Fig.1.b) dargestellte Kernschnittfläche mit zwei geraden dreieckförmigen Ausnehmungen. In Fig.2 wird zusätzlich eine Querrille angebracht. Es entsteht so eine Matrix von Pyramidenstümpfen. Figur 3 stellt runde Rillen und Fig. 4 skizziert runde Längs- und Querrillen. Diese Skizzen stellen nur einen Bruchteil der möglichen Verformungen des Kernmaterials zur Erzeugung eines Luftspalts durch Rillen dar.
Patentansprüche : 1. Verfahren zur besseren Ausnutzung des magnetisch leitfähigen Materials von Spulen und gekoppelten Spulen in leistungselektronischen Konvertern dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial im Bereich des Luftspaltes geometrische Strukturen bildend rillenförmig durchsetzt ist.