AT523736B1

AT523736B1 - Feldkompensierte Spule

Info

Publication number: AT523736B1
Application number: ATA50996/2020A
Authority: AT
Original assignee: Rainer Scalick
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-11-15
Also published as: AT523736A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule (1), umfassend eine erste Wicklung (2), die um einen ersten Kern (3) gewickelt ist, und eine zweite Wicklung (4), die um einen zweiten Kern (5) gewickelt ist, wobei die Wicklungen (2, 4) gleiche Windungszahl und entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, und wobei die Kerne (3, 5) entlang einer Längsachse (9) versetzt und im Wesentlichen koaxial angeordnet sind, wobei die Kerne (3, 5) elektrisch und magnetisch voneinander isoliert sind, sowie eine Spulenanordnung mit zumindest einer derartigen Spule.

Description

Beschreibung

FELDKOMPENSIERTE SPULE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Spule gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs, insbesondere eine Spule als Induktivität in einer elektrischen Schaltung, umfassend zwei Wicklungen mit gegengesetztem Wicklungssinn.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Spulen mit mehreren Wicklungen grundsätzlich bekannt. Beispielsweise zeigt die AT 251 103 A eine Spule, bei der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf einem gemeinsamen Eisenkern aufgebracht sind. Die Wicklungen sind dabei in axialer Richtung des Eisenkerns voneinander beabstandet und in Serie geschaltet.

[0003] Derartige Spulen leiden jedoch unter ungewollten Streufeldern, die umliegende Geräte durch elektromagnetische Effekte stören können. Derartige Störaussendung von elektromagnetischer Strahlung sind bei der Entwicklung von Elektrogeräten, insbesondere bei kritischen Applikationen wie Schaltreglern für Automotive- und Telekommunikationsanwendungen, zu berücksichtigen, um Grenzwerte der EMV (elektromagnetischen Verträglichkeit) einzuhalten. Umgekehrt führen die beabstandeten Wicklungen zu ungewollter Einkopplung (self-pollution) in die Spule.

[0004] Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, dieses und andere Probleme zu lösen und eine Spule bereitzustellen, deren magnetisches Feld möglichst gut vor Fremdeinflüssen geschützt ist und möglichst niedrige magnetische Streufelder emittiert.

[0005] Dieses und andere Probleme werden durch eine Spule gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0006] Eine erfindungsgemäße Spule umfasst eine erste Wicklung, die um einen ersten Kern gewickelt ist und eine zweite Wicklung, die um einen zweiten Kern gewickelt ist. Bei den Wicklungen kann es sich um übliche isolierte Drähte aus Kupfer, Aluminium oder Gold handeln. Der Drahtdurchmesser der beiden Wicklungen kann identisch sein. Die Induktivität der Wicklungen ist vorzugsweise identisch. Die Wicklungen können im Wesentlichen kreisförmig sein. Beim Kern kann es sich um einen herkömmlichen Eisenkern handeln.

[0007] Die Wicklungen weisen gleiche Windungszahl, jedoch entgegengesetzten Wicklungssinn auf. Die Kerne sind entlang einer Längsachse versetzt und zu dieser Achse im Wesentlichen koaxial angeordnet. Koaxial bedeutet in diesem Zusammenhang im Wesentlichen symmetrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet.

[0008] Erfindungsgemäß sind die Kerne magnetisch und elektrisch voneinander isoliert beziehungsweise getrennt. Dadurch prägen sich im Bereich zwischen den Kernen entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder aus, sodass sich die magnetischen Streufelder in diesem Bereich im Wesentlichen kompensieren.

[0009] Die beiden Wicklungen mit ihren getrennten Kernen haben somit jeweils ihren eigenen magnetischen Kreis und sind nur durch ihre Streufelder gekoppelt. Durch diese erfindungsgemäße Trennung der Kerne wird das gesamte Streufeld der Spule reduziert und EMV-Störungen sowie Störsignal-Einkopplungen in die Spule vermindert.

[0010] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kerne magnetisch und elektrisch durch ein isolierendes Trennmedium, insbesondere eine Trennschicht, voneinander isoliert sind.

[0011] Bei dem Trennmedium kann es sich aber auch um elektrisch und magnetisch isolierende Gehäuse der Kerne handeln; in diesem Fall ist es nicht zwingend erforderlich, eine Trennschicht vorzusehen.

[0012] Es kann auch eine Kombination aus Gehäuse und Trennschicht als isolierendes Trennmedium dienen. Dadurch wird erreicht, dass die Kerne voneinander isoliert und beabstandet sind.

[0013] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Trennmedium bzw. die Trennschicht

eine Dicke im Bereich von 0,01 mm oder 0,1 mm bis 50 cm, vorzugsweise 0,5 mm bis 10 cm, besonders bevorzugt etwa 1 mm aufweist, um eine ausreichende Isolation der Kerne zu gewährleisten. Das Trennmedium kann durch Sintern auf den oder die Kerne aufgebracht sein; insbesondere kann es sich um eine keramische Schicht handeln. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Trennmedium eine elektrische Leitfähigkeit von unter 10% S/m, insbesondere 107° S/m aufweist.

[0014] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Trennmedium eine relative magnetische Permeabilität U aufweist, die um einen Faktor von zumindest 10 geringer ist als jene der Kerne und insbesondere einen Wert von unter 1,5 aufweist, beispielsweise u = 1 +4 x 107.

[0015] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Trennschicht eine Keramik, ein Harz, oder ein Klebstoff ist oder einen derartigen Werkstoff umfasst. Dadurch wird einerseits die Anforderung einer mechanischen Verbindung der Kerne, und andererseits die Anforderung einer elektrisch und magnetisch isolierenden Schicht erfüllt.

[0016] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Wicklungen der Spule in Serie geschaltet sind. Beispielsweise kann ein gewünschter Induktivitätswert durch Serienschaltung zweier erfindungsgemäßer Spulen erreicht werden. Erfindungsgemäß kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Wicklungen parallel geschaltet sind. Beispielsweise kann ein gewünschter Induktivitätswert durch Parallelschaltung zweier erfindungsgemäßer Spulen erreicht werden.

[0017] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kerne aus Ferrit, Pressed-Powder oder Trafoblech gefertigt sind oder diese Materialien umfassen. Durch die ferromagnetischen Eigenschaften der genannten Materialen kann die benötigte Induktivität der Spule für den betreffenden Anwendungsfall ausgewählt werden.

[0018] Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kerne im Wesentlichen gleich dimensioniert sind. Mit anderen Worten können die Abmessungen der Kerne und deren Werkstoff im Wesentlichen gleich sein. Wenn die Kerne gleich aufgebaut und dimensioniert sind, kann infolge der gleichen Wicklungszahl eine praktisch vollständige Kompensation der Magnetfelder im Übergangsbereich erfolgen.

[0019] In Ausführungsformen der Erfindung können die Kerne als Zylinderkerne mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser und im Wesentlichen gleicher Länge ausgeführt sein. Die beiden Kerne sind dann entlang ihrer Längsachse versetzt zueinander angeordnet. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass der erste Kern und/oder der zweite Kern einen kopfseitigen Bund, einen fußseitigen Bund und einen dazwischen verlaufenden Steg aufweist, der einen kleineren Durchmesser als die beiden Bünde aufweist.

[0020] Durch den Steg kann eine formschlüssige Aufnahme für die erste und zweite Wicklung gebildet sein, welche ein axiales Verschieben der ersten und zweiten Wicklung unterbindet. Durch diese axiale Sicherung der Wicklungen ist eine besonders kompakte und einfache Bauweise der Spule möglich.

[0021] In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Kerne als Ringkerne mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser und im Wesentlichen gleicher Rotationsfläche ausgeführt sein. In diesem Fall haben die Kerne die Form eines Torus und sind entlang einer Längsachse versetzt zueinander angeordnet. Die Längsachse verläuft dabei durch die Mittelpunkte der Ringkerne.

[0022] Ferner betrifft die Erfindung eine Spulenanordnung umfassend zumindest eine, insbesondere mehrere erfindungsgemäße Spulen. Durch Serien- oder Parallelschaltung einer Vielzahl von Spulenpaaren kann somit eine beliebige Induktivität erreicht werden.

[0023] Erfindungsgemäße Spulen bzw. Spulenanordnungen können auf Leiterplatten in gängigen oder neuen Bauformen aufgelötet sein, beispielsweise in SMD, THT, THR, Hybrid, Dickschicht, Dünnschicht-Bauweise oder dergleichen. Erfindungsgemäße Spulen können auch in ausgedehnten Hochleistungstranformatoren für Infrastruktur und Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden. Die Spulen können in beliebigen Spezifikationen erstellt werden, dies schließt auch die Spannung, Strom, Leistung, Frequenz, Induktivität, Kapazität und resistiven Widerstand

ein.

[0024] Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.

[0025] Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

[0026] Fig. 1a eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule;

[0027] Fig. 19 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform aus Fig. 1a;

[0028] Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule mit seriell geschalteten Wicklungen;

[0029] Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule mit parallel geschalteten Wicklungen;

[0030] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule mit ringförmigen Kernen.

[0031] Fig. 1a zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule 1. Die Spule 1 umfasst eine erste Wicklung 2, die um einen ersten Kern 3 gewickelt ist, und eine zweite Wicklung 4, die um einen zweiten Kern 5 gewickelt ist. Der erste Kern 3 und der zweite Kern 5 sind im Wesentlichen zylindrisch mit gleichem Durchmesser und gleicher Länge und koaxial entlang einer Längsachse 9 angeordnet. Entlang der Längsachse 9 sind die Kerne 3, 5 somit im Wesentlichen deckungsgleich. Die Wicklungen 2, 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupferdrähten mit einem Durchmesser von etwa 2 mm gebildet und haben jeweils eine Windungszahl von drei.

[0032] Die Kerne 3, 5 verfügen jeweils über einen kopfseitigen Bund 10a, 10a‘, einen fußseitigen Bund 10b, 10b‘, der in Richtung der Längsachse 9 etwa dreimal so breit ist wie der kopfseitige Bund 10a, 10a‘, und einen dazwischen verlaufenden Steg 10c, 10c‘. Die beiden Bünde und der Steg sind jeweils miteinander verbunden oder einteilig. Die beiden Bünde können in anderen Ausführungsformen auch identische Dimensionen aufweisen. Die Mantelfläche vom Steg 10c, 10ce‘ steht in der dargestellten Ausführung nicht in Kontakt mit den Wicklungen 2, 4, da der Innendurchmesser der Wicklungen 2, 4 größer als der Durchmesser der Stege 10c, 10e‘ ist.

[0033] Die Kerne 3, 5 sind identisch ausgebildet, jedoch voneinander getrennt. Eine Trennschicht 6 ist zwischen den Kernen 3, 5 angeordnet und isoliert diese voneinander. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennschicht 6 aus gesintertem Keramik und hat eine Dicke, das heißt eine Erstreckung in Richtung der Längsachse 9, von etwa 1 mm. Die elektrische Leitfähigkeit der Trennschicht 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel sehr niedrig, etwa im Bereich von 107° S/m. Die magnetische Permeabilität der Trennschicht 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel etwa gleich 1.

[0034] In einem schematisch angedeuteten Übergangsbereich 8 sind die Wicklungen 2, 4 miteinander über eine Wicklungsumlenkung 7 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Wicklungsenden 11, die erste Wicklung 2, die Wicklungsumlenkung 7, die zweite Wicklung 4 und das zweite Wicklungsende 12 aus einem durchgängigen elektrischen Leiter, beziehungsweise Kupferdraht, ausgeführt.

[0035] Der Wicklungssinn der ersten Wicklung 2 verläuft entgegengesetzt dem Wicklungssinn der zweiten Wicklung 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Wicklung 2 linksgewunden und die zweite Wicklung 4 rechtsgewunden. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen ist dies umgekehrt.

[0036] Im Übergangsbereich 8 verläuft die Wicklung im Wesentlichen parallel zur Längsachse 9 und eine Windungsumlenkung 7 verbindet die erste Wicklung 2 mit der zweiten Wicklung 4. Auch die Wicklungsenden 11, 12 verlaufen in der dargestellten Ausführungsform im Bereich der fußseitigen Bünde 10b, 10b‘ parallel zur Längsachse 9. In anderen Ausführungsformen ragen die

Wicklungsenden 11, 12 in andere Richtungen.

[0037] Die kopfseitigen Bünde 10a, 10a‘ der beiden Kerne 3, 5 sind über die Trennschicht 6 stirnseitig miteinander verbunden. Der Verbund aus erstem Kern 3, isolierender Trennschicht 6 und zweitem Kern 5 bildet eine Aufnahme für die erste und zweite Wicklung 2, 4, welche formschlüssig zwischen den Bünden der Kerne 3, 5 montiert sind, um axiales Verschieben der Windungen 2, 4 zu unterbinden.

[0038] Im Übergangsbereich 8 ist sowohl im ersten Kern 3, als auch im zweiten Kern 5 an den kopfseitigen Bünden 10a, 10a‘ sowie in der Trennschicht 6 eine Ausnehmung vorgesehen, durch die die Windungsumlenkung 7 verläuft. Die Ausnehmung ist etwa um 1 mm größer als der Durchmesser der Kupferdrähte, wodurch der elektrische Leiter nicht in unmittelbarem Kontakt mit den Kernen 3, 5 steht. Die Ausnehmungen der Kerne 3, 5 und der Ausnehmung in der Trennschicht 6 sind im Wesentlichen deckungsgleich. Die Ausnehmungen verhindern durch Formschluss ein Verdrehen der Wicklungen 2, 4 um den Verbund aus erstem Kern 3, isolierender Trennschicht 6 und zweitem Kern 5.

[0039] Die mit der Trennschicht 6 in Kontakt stehenden kopfseitigen Bünde 10a, 10a‘ sind mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser ausgeführt wie die fußseitigen Bünde 10b, 10b‘.

[0040] Die Stege 10c, 10c‘ weisen in der dargestellten Ausführung einen kleineren Durchmesser als die kopfseitigen Bünde 10a, 10a‘ und fußseitigen Bünde 10b, 10b‘ auf. Der mittlere Durchmesser der kopfseitigen Bünde 10a, 10a‘ beziehungsweise fußseitigen Bünde 10b, 10b‘ und der Stege 10c, 10e‘ entspricht im Wesentlichen dem mittleren Wicklungsradius der Wicklungen 2, 4. Der Außendurchmesser der Wicklungen 2, 4 ist in der dargestellten Ausführung in etwa um 1 mm kleiner als der Durchmesser der kopfseitigen Bünde 10a, 10a‘ beziehungsweise fußseitigen Bünde ausgeführt.

[0041] Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule mit seriell geschalteten Wicklungen. Die erste Wicklung 2 und zweite Wicklung 4 sind über die Windungsumlenkung 7, ausgeführt als durchgängiger Kupferdraht, seriell miteinander verschaltet.

[0042] Des Weiteren weist diese Ausführungsform im Übrigen alle Merkmale der Ausführungsform gemäß Fig. 1a - 1b auf, sodass eine weitere detaillierte Beschreibung unterbleiben kann.

[0043] Fig. 2b zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule mit parallel geschalteten Wicklungen. Die Windungsumlenkung 7 besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil der Windungsumlenkung 7 verbindet das Ende der ersten Wicklung 2 am kopfseitigen Bund 10a mit dem zweiten Wicklungsende 12 und der zweite Teil der Windungsumlenkung 7 verbindet das Ende der zweiten Wicklung 4 am kopfseitigen Bund 10a‘ mit dem ersten Wicklungsende 11. Alle weiteren, nicht genannten, Merkmale der parallel geschalteten Ausführungsform entsprechen im Wesentlichen den Merkmalen der Ausführungsform der Serienschaltung gemäß Fig. 1a - 1b.

[0044] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei denen die Kerne 3, 5 als Ringkerne beziehungsweise Toroidkerne ausgebildet sind. Die Längsachse 9 ist hierbei die Rotationsachse der jeweiligen Kerne 3, 5. Als Trennmedium dienen in der dargestellten Ausführungsform die isolierenden Gehäuse 13, 13‘ der Kerne 3, 5, welche schematisch dargestellt sind. In dieser Darstellung ist sind die beiden Toroidkerne auf schraffiert dargestellten Trägern angeordnet. Der erste Kern 3 wird vom Gehäuse 13 und der zweite Kern 5 vom Gehäuse 13‘ ummantelt. In dieser Ausführungsform sind die Gehäuse 13, 13‘ über eine Klebeschicht verbunden, welche eine Trennschicht 6 bildet. In anderen Ausführungsformen ist jedoch keine Klebeschicht vorgesehen.

[0045] Die erste Wicklung 2, hier rechtsgewundenen, weist einen gegensinnigen Wicklungssinn zur zweiten Wicklung 4, hier linksgewundenen, auf. In der schematisch dargestellten Ausführungsform sind die Wicklungen 2, 4 seriell über eine Windungsumlenkung 7 verschalten. In einer anderen, nicht dargestellten, Ausführungsform werden diese parallel geschalten.

[0046] In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind mehrere erfindungsgemäße Spulen zu einer Spulenanordnung verschalten, beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf Spulen mit jeweils zwei gegenläufigen Wicklungen.

[0047] Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die dargelegten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Spulen und Spulenanordnungen im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche. Insbesondere sind beliebige Kernformen und Kernausführungen im Rahmen der Erfindung vorgesehen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Spule

2 Erste Wicklung

3 Erster Kern

4 Zweite Wicklung

5 Zweiter Kern

6 Trennschicht

7 Windungsumlenkung 8 Übergangsbereich

9 Längsachse

10a, 10a‘ Kopfseitiger Bund

10b, 10b‘ Fußseitiger Bund

10c, 10ce°‘ Steg

11 Erstes Wicklungsende 12 Zweites Wicklungsende 13, 13° Gehäuse

Claims

Patentansprüche 1. Spule (1), umfassend a. eine erste Wicklung (2), die um einen ersten Kern (3) gewickelt ist, und b. eine zweite Wicklung (4), die um einen zweiten Kern (5) gewickelt ist, wobei

c. die Wicklungen (2, 4) gleiche Windungszahl und entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, und wobei

d. die Kerne (3, 5) entlang einer Längsachse (9) versetzt und zu dieser im Wesentlichen koaxial angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) elektrisch und magnetisch voneinander isoliert sind.
2. Spule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) elektrisch und magnetisch durch ein isolierendes Trennmedium, insbesondere eine Trennschicht (6), getrennt sind.
3. Spule (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium durch elektrisch und magnetisch isolierende Gehäuse (13, 13‘) der Kerne (3, 5) gebildet ist.
4. Spule (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 mm bis 50 cm, vorzugsweise 0,5 mm bis 10 cm, besonders bevorzugt etwa 1 mm aufweist.
5. Spule (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium eine elektrische Leitfähigkeit von unter 10: S/m, insbesondere 10° S/m aufweist.
6. Spule (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium eine relative magnetische Permeabilität U aufweist, die um einen Faktor von zumindest 10 geringer ist als jene der Kerne (3, 5) und insbesondere einen Wert von unter 1,5 aufweist, beispielsweise Ur = 1 +4 x 10-7.
7. Spule (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmedium eine Keramik, ein Harz, oder ein Klebstoff ist oder einen derartigen Werkstoff umfasst.
8. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2, 4) in Serie geschaltet sind.
9. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2, 4) parallel geschaltet sind.
10. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) aus Ferrit, Pressed-Powder oder Trafoblech gefertigt sind oder diese Materialien umfassen.
11. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) im Wesentlichen gleich dimensioniert sind.
12. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2, 4) im Wesentlichen gleiche Induktivität aufweisen.
13. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) als Zylinderkerne ausgebildet sind.
14. Spule (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern (3) und/oder der zweite Kern (5) einen kopfseitigen Bund (10a, 10a‘), einen fußseitigen Bund (10b, 10b‘) und einen dazwischen verlaufenden Steg (10c, 10c‘) aufweist, wobei durch den Steg (10c, 10c‘) eine formschlüssige Aufnahme für die erste und zweite Wicklung (2, 4) gebildet ist, welche ein axiales Verschieben der ersten und zweiten Wicklung (2, 4) unterbindet.
15. Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (3, 5) als Ringkerne ausgebildet sind.
16. Spulenanordnung, umfassend eine oder mehrere Spulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen