Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drosselspule, die eine beliebige, bestimmbare Charakteristik, Induktivität in Funktion des Stromes, aufweist.
Drosselspulen werden für Netzstromkreise oder für tonfrequenze Stromkreise in allen Bereichen der Elektrotechnik, Fernmelde-, Funktechnik, Elektroakustik, Elektronik, verwendet. In bezug auf die Betriebsbedingungen ergeben sich zwei Grundausführungen von Drosselspulen, und zwar:
a) Drosselspulen mit Eisenkern, ohne Luftspalt für die Verwendung in den Bereichen der technischen Frequenzen und in der Tonfrequenz mit jeweils kleinen Wechselspannungen, zumeist ohne Gleichstrombelastung.
b) Drosselspulen mit Eisenkern, mit Luftspalt für die Verwendung in den Bereichen der technischen Frequenzen und der Tonfrequenz, mit jeweils grösseren Wechselspannungen und -strömen und mit oder ohne Gleichstrombelastung.
Die Drosselspule besteht im Prinzip aus einem Eisenkern mit oder ohne Luftspalt und einer gegen Erde isolierten Wicklung.
Eine genaue Berechnung der Induktivität ist bei Drosselspulen mit Eisenkern in einfacher, den Aufwand lohnender Weise nicht möglich, da mehrere Faktoren beteiligt sind, die nicht genau bestimmbar sind.
Im allgemeinen sind daher die Toleranzen für die Induktivitätswerte von Drosselspulen nicht zu eng bemessen.
In Fällen, wo die Drosselspule nur für einen Arbeitspunkt, einen bestimmten Induktivitätswert für einen bestimmten Strom, ausgelegt ist, und in einer stationären Anlage Anwendung findet, spielt die grobe Toleranzbemessung keine allzu grosse Rolle.
In Fällen aber, wo die Drosselspule für einen bestimmten Arbeitsbereich, mit einem bestimmten Verlauf der Induktivitätswerte in Funktion des Stromes, ausgelegt ist, die Drosselspule zudem noch Anwendung in Fahrzeugen, wie Trams, Trolleybussen, schienengebunden Triebwagen und Lokomotiven, findet, spielt die grobe Toleranzbemessung schon eine Rolle, da diese sich hauptsächlich auf die geometrischen Dimensionen und auf das Gewicht der Drosselspule auswirkt und Probleme, welche gelöst werden müssen, nach sich zieht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drosselspule zu schaffen, die die erwähnten Probleme löst. Die erfindungsgemässe Drosselspule soll einen, den Bedürfnissen entsprechenden, bestimmbaren Verlauf der Induktivitätswerte in Funktion des Stromes aufweisen und somit optimal, bezüglich der elektrischen Werte, der geometrischen Dimensionen, des Gewichtes, ausgelegt sein.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Drosselspule, die sich dadurch auszeichnet, dass der, für die Drosselspulenleistung benötigte Kern, in mindestens zwei, in Richtung des magnetischen Flusses, voneinander isolierte Teilkerne, mit in ihrer magnetischen Gesamtwirkung unterschiedlichen magnetischen Charakteristika, unterteilt ist, wobei mindestens eine Wicklung mindestens zwei dieser Teilkerne umschlingt oder zusätzlich mindestens eine weitere Wicklung mindestens einen dieser Teilkerne umschlingt.
In den Zeichnungen sind erfindungsgemässe Drosselspulen in verschiedenen beispielsweisen Ausführungsarten prinzipiell dargestellt. Die einzelnen Ausführungsarten dienen zur Schaffung bestimmter Induktivitätskurven in Funktion des Stromes. Weiter sind die physikalischen Hintergründe ihrer Wirkungsweise anhand von verschiedenen Magnetisierungskurven und Induktivitätskurven veranschaulicht. In der nachfolgenden Beschreibung ist der grundsätzliche Aufbau und das Funktionsprinzip der erfindungsgemässen Drosselspule erläutert. Ferner werden die gezeigten Ausführungsarten beschrieben und deren Wirkungsweisen erklärt. Die erfindungsgemässe Drosselspule wird im folgenden Delta-Phi-Drossel genannt.
Es zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in seiner einfachsten Bauart, bestehend aus dem Teilkern 1 ohne Luftspalt, dem Teilkern 2 mit dem Luftspalt L2 und der Wicklung A;
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus dem Teilkern 1 ohne Luftspalt, dem Teilkern 2 mit dem Luftspalt L2 und den Wicklungen A, B und C;
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2 und 3 mit den Luftspalten L1, L2 und L3 und der Wicklung A;
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2 und 4 mit den Luftspalten L1, L2 und L4 und den Wicklungen A, C und E;
Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2 und 3 mit den Luftspalten L1, L2 und L3 und den Wicklungen A und B;
Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2 und 4 mit den Luftspalten L1, L2 und L3 und den Wicklungen A, B, C und E;
Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teikernen 1, 2, 3, und 4 mit den Luftspalten L1, L2, L3 und L4 und der Wicklung A;
Fig. 8 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2, 3 und 4 den mit Luftspalten L1, L2, L3 und L4 und den Wicklungen A, B, C, D und E;
Fig. 9 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit den Luftspalten L1, L2, L3 und L4 und den Wicklungen A, B, C, D und E;
Fig. 10 den prinzipiellen Aufbau der Delta-Phi-Drossel in erweiterter Bauart, bestehend aus den Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit den Luftspalten L1, L2, L3 und L4 und den Wicklungen A, B, C, D und E;
Fig. 11 die Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Feldstärke für zwei verschiedene Materialien;
Fig. 12 den Einfluss der Luftstrecken auf die Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung:
Kurve A: die Magnetisierungskurve für das Kernblech,
Kurve B: die Magnetisierungskurve für eine kleine Luftstrecke,
Kurve C: die Resultierende aus Kurve A und Kurve B,
Kurve D: die Magnetisierungskurve für eine grosse Luftstrecke,
Kurve E:
die Resultierende aus Kurve A und Kurve D;
Fig. 13 einen aus Teilkernen (1, 2, 3, ..., n-1, n) mit teilweise mit Luftspalten versehenem, aufgebautem Kern:
Teilkern 1: ohne Luftspalt,
Teilkern 2: mit einem kleinen Luftspalt,
Teilkern 3: mit einem grösseren Luftspalt,
Teilkern n-l: mit zwei Luftspalten,
Teilkern n: mit vier Luftspalten;
Fig. 14 mögliche Luftspaltformen, dabei bedeuten:
a) paralleler Luftspalt,
b) Luftspalt keilförmig nach unten,
c) Luftspalt keilförmig nach oben,
d) Luftspalt symmetrisch keilförmig,
e) Luftspalt trapezförmig nach unten,
f) Luftspalt trapezförmig nach oben,
g) Luftspalt symmetrisch trapezförmig;
Fig. 15 Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung für zwei Teilkerne 1 und 2:
Kurve 1 Teilkern 1 ohne Luftspalt,
Kurve 2 Teilkern 2 mit Luftspalt L2;
Fig. 16 Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung für drei Teilkerne 1, 2 und 3:
Kurve 1 Teilkern 1 mit Luftspalt L1,
Kurve 2 Teilkern 2 mit Luftspalt L2,
Kurve 3/4 Teilkern 3 mit Luftspalt L3, oder Teilkern 4 mit Luftspalt L4;
Fig. 17 Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung für vier Teilkerne 1, 2, 3 und 4:
Kurve 1 Teilkern 1 mit Luftspalt L1,
Kurve 2 Teilkern 2 mit Luftspalt L2,
Kurve 3 Teilkern 3 mit Luftspalt L3,
Kurve 4 Teilkern 4 mit Luftspalt L4;
Fig. 18 Drosselspulencharakteristik Induktivität in Funktion des Stromes für eine Drosselspule mit 2 Teilkernen;
Fig. 19 Drosselspulencharakteristik Induktivität in Funktion des Stromes für eine Drosselspule mit 3 Teilkernen;
Fig. 20 Drosselspulencharakteristik Induktivität in Funktion des Stromes für eine Drosselspule mit 4 Teilkernen.
Bevor im einzelnen auf den prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise der Delta-Phi-Drossel eingegangen wird, sei voraus geschickt, dass sie mindestens als reine Wechselstromdrosselspule und als gleichstromvormagnetisierte Drosselspule betrieben werden kann.
Der prinzipielle Aufbau der Delta-Phi-Drossel umfasst in ihrer einfachsten Ausführung mindestens zwei magnetisch getrennte Teilkerne 1 und 2 mit unterschiedlichen magnetischen Charakteristika und mindestens einer Wicklung A, welche die beiden Teilkerne 1 und 2 gemeinsam umschlingt.
Je nach verlangter Charakteristik, Induktivität in Funktion des Stromes, der Delta-Phi-Drossel, ist diese mit weiteren zusätzlichen Teilkernen 3, ..., n und/oder mit weiteren zusätzlichen Wicklungen A1, ..., An; B; B1, ..., Bn; C; C1, ..., Cn; D; D1, ..., Dn; E; E1, ..., En auszurüsten.
Bei der Anwendung mehrerer Wicklungen, sind die einzelnen Wicklungen additiv oder subtraktiv in Serie zu Wicklungszweigen zu schalten, wobei, unter der Einhaltung gewisser Bedingungen, auch die Parallelschaltung und/oder die kombinierte Schaltung einzelner Wicklungen und/oder Wicklungszweige möglich ist.
Additive Serieschaltung zweier Wicklungen heisst, dass sich die durch die stromdurchflossenen Wicklungen erzeugten magnetischen Induktionen addieren.
Subtraktive Serieschaltung zweier Wicklungen heisst, dass sich die durch die stromdurchflossenen Wicklungen erzeugten magnetischen Induktionen subtrahieren.
Werden zwei Teilkerne 1 und 2 mit unterschiedlichen magnetischen Charakteristika von einer vom Strom I durchflossenen Wicklung A mit der Windungszahl w gemeinsam umschlungen, so erfahren beiden Kerne die gleiche Durchflutung I x w. Dadurch, dass die beiden Teilkerne 1 und 2 unterschiedliche magnetische Charakteristika, Induktion in Funktion der Durchflutung, aufweisen, werden in den beiden Teilkernen 1 und 2 entsprechende unterschiedliche Induktionen B1 und B2 erzeugt. Die beiden Teilkerne 1 und 2 weisen auch, entsprechende der Drosselspulenleistung, bestimmte effektive Kernquerschnitte A1 und A2 auf.
Die in der Wicklung A induzierte Spannung ist somit:
U= 4,44 x f x w x (A1 x B1 + A2 x B2) x 0,0001
dabei ist:
U = die Drosselspulenspannung in Volt
f = die Frequenz in Hertz
w = die Windungszahl der Wicklung A
A1 = der effektive Kernquerschnitt des Teilkernes 1 in cm<2>
A2 = der effektive Kernquerschnitt des Teilkernes 2 in cm<2>
B1 = Induktion im Teilkern 1 in Tesla
B2 = Induktion im Teilkern 2 in Tesla
Die Impedanz der Drosselspule beim entsprechenden Strom ist somit:
Z= U/I = R + j omega L
dabei ist:
Z = Impedanz der Drosselspule in Ohm
U = die Drosselspulenspannung in Volt
I = der Drosselspulenstrom in Ampere
R = ohmscher Widerstand der Wicklung A in Ohm
j = die imaginäre Einheit der komplexen Schreibweise der Impedanz
omega = die Kreisfrequenz 2 x x f
L = die Induktivität der Drosselspule in Henry
f = die Frequenz in Hertz
Die Reaktanz der Drosselspule beim entsprechenden Strom ist somit:
EMI10.1
Die Induktivität der Drosselspule beim entsprechenden Strom ist somit:
L= X/ omega = X/(2 x x f)
Der Verlauf der Induktivität in Funktion des Stromes lässt sich auf diese über den ganzen Strombereich bestimmen. Nach diesem System lassen sich alle beliebigen Induktivitätsverhalten der Drosselspule bestimmen.
In Fig. 1 ist die einfachste Ausführung einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel prinzipiell dargestellt. Die Delta-Phi-Drossel weist zwei Teilkerne mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, wobei der Teilkern 1 keinen Luftspalt aufweist und der Teilkern 2 mit einem Luftspalt L2 ausgerüstet ist. Die Wicklung A umschlingt beide Teilkerne gemeinsam.
In Fig. 2 ist die erweiterte Ausführung einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel prinzipiell dargestellt. Die Delta-Phi-Drossel weist zwei Teilkerne mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, wobei der Teilkern 1 keinen Luftspalt aufweist und der Teilkern 2 mit einem Luftspalt L2 ausgerüstet ist. Die Wicklung A umschlingt beide Teilkerne gemeinsam. Die Wicklung B umschlingt nur den Teilkern 1 und die Wicklung C umschlingt nur den Teilkern 2. Durch die entsprechende Schaltung, additive und/oder subtraktive Serieschaltung, und der Wahl der Windungszahlen der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der beiden Teilkerne und somit auch das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
In Fig. 3 ist die erweiterte Ausführung einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel prinzipiell dargestellt. Die Delta-Phi-Drossel weist drei Teilkerne mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, wobei alle Teilkerne 1, 2 und 3 mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L3 und L3 ausgerüstet sind. Die Wicklung A umschlingt alle drei Teilkerne gemeinsam.
Fig. 4 zeigt prinzipiell dargestellt eine erfindungsgemässe Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung mit drei Teilkernen 1, 2 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2 und L4 ausgerüstet sind. Die Wicklung A umschlingt alle drei Teilkerne gemeinsam. Die Wicklung C umschlingt nur den Teilkern 2 und die Wicklung E umschlingt nur den Teilkern 4. Durch die entsprechende Schaltung, additive und/oder subtraktive Serieschaltung, der Wahl der Windungszahlen, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
Fig. 5 zeigt prinzipiell dargestellt eine erfindungsgemässe Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung mit drei Teilkernen 1, 2 und 3 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2 und L3 ausgerüstet sind. Die Wicklung A umschlingt die Teilkerne 1 und 2 und die Wicklung B umschlingt die Teilkerne 1 und 3. Durch die entsprechende Schaltung, additive oder subtraktive Serieschaltung oder Parallelschaltung, der Wahl der Windungszahlen, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und somit das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
In Fig. 6 ist eine erfindungsgemässe Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung prinzipiell dargestellt. Die Delta-Phi-Drossel weist drei Teilkerne 1, 2 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2 und L4 ausgerüstet sind.
Die Wicklung A umschlingt die Teilkerne 1 und 2, die Wicklung B umschlingt den Teilkern 1, die Wicklung C umschlingt die Teilkerne 2 und 4 und die Wicklung E umschlingt den Teilkern 4. Durch die entsprechende Schaltung, additive oder subtraktive Serieschaltung, Parallelschaltung oder kombinierte Schaltung, der Wahl der Windungszahlen, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und somit auch das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
In Fig. 7 ist eine erfindungsgemässe Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung prinzipiell dargestellt. Die Delta-Phi-Drossel weist vier Teilkerne 1, 2, 3 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2, L3 und L4 ausgerüstet sind. Die Wicklung A umschlingt alle Teilkerne gemeinsam.
Fig. 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit vier Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2, L3 und L4 ausgerüstet sind, und mit fünf Wicklungen A, B, C, D und E. Die Wicklung A umschlingt die Teilkerne 1, 2, 3 und 4, die Wicklung B umschlingt den Teilkern 1, die Wicklung C umschlingt den Teilkern 2, die Wicklung D umschlingt den Teilkern 3 und die Wicklung E umschlingt den Teilkern 4. Durch entsprechende Schaltung, additive und/oder subtraktive Serieschaltung, Parallelschaltung oder kombinierte Schaltung, der Wahl der Windungszahl, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
Fig. 9 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung mit vier Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2, L3 und L4 ausgerüstet sind, und mit fünf Wicklungen A, B, C, D und E. Die Wicklung A umschlingt die Teilkerne 1 und 2, die Wicklung B umschlingt die Teilkerne 1 und 3, die Wicklung C umschlingt die Teilkerne 2 und 4, die Wicklung D umschlingt den Teilkern 3 und die Wicklung E umschlingt den Teilkern 4. Durch entsprechende Schaltung, additive und/oder subtraktive Serieschaltung, Parallelschaltung oder kombinierte Schaltung, der Wahl der Windungszahlen, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
Fig. 10 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel in erweiterter Ausführung mit vier Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei alle Teilkerne mit unterschiedlichen Luftspalten L1, L2, L3 und L4 ausgerüstet sind, und mit fünf Wicklungen A, B, C, D und E. Die Wicklung A umschlingt die Teilkerne 1, 2 und 3, die Wicklung B umschlingt den Teilkern 1, die Wicklung C umschlingt die Teilkerne 2 und 4, die Wicklung D umschlingt den Teilkern 3 und die Wicklung E umschlingt den Teilkern 4. Durch entsprechende Schaltung, additive und/oder subtraktive Serieschaltung, Parallelschaltung und/oder kombinierte Schaltung, der Wahl der Windungszahlen, der Wicklungen kann das magnetische Verhalten der Teilkerne und das Induktivitätsverhalten der Delta-Phi-Drossel stark beeinflusst werden.
Fig. 13 zeigt einen in Teilkerne, mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, aufgeteilten Kern. Die unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften werden dadurch erreicht, dass der Teilkern 1 keine Luftspaltstrecke und die übrigen Teilkerne unterschiedliche Luftspaltstrecken aufweisen. Die unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften können zudem und/oder zusätzlich auch dadurch erreicht werden, dass Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften, Induktion in Funktion der Feldstärke, wie sie in Fig. 11 dargestellt sind, verwendet werden. Die anwendbaren Luftspaltstrecken sind in Fig. 14 dargestellt. Der Einfluss der Luftspaltstrecke(n) auf die magnetischen Eigenschaften eines Kernes oder eines Teilkernes, Induktion in Funktion der Durchflutung, ist in Fig. 12 dargestellt.
In den Zonen der Luftspaltstrecken streuen die magnetischen Feldlinien aus. Damit die Teilkerne sich nicht magnetisch gegenseitig beeinflussen, sind die einzelnen Teilkerne um mindestens die Distanz, welche der grössten benachbarten Luftspaltstrecke entspricht, zu distanzieren.
Fig. 15 zeigt die Magnetisierungskurven, Induktion in Funktion der Durchflutung, einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit zwei Teilkernen 1 und 2 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei der Teilkern 1 keinen Luftspalt und der Teilkern 2 einen Luftspalt aufweist.
Fig. 16 zeigt die Magnetisierungskurven, Induktion in Funktion der Durchflutung, einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit drei Teilkernen 1, 2 und 3 respektive 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei der Teilkern 1 einen kleinen Luftspalt, der Teilkern 2 einen grösseren Luftspalt und der Teilkern 3 respektive Teilkern 4 einen noch grösseren Luftspalt aufweist.
Fig. 17 zeigt die Magnetisierungskurven, Induktion in Funktion der Durchflutung, einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit vier Teilkernen 1, 2, 3 und 4 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften, wobei der Teilkern 1 einen kleinen Luftspalt, der Teilkern 2 einen etwas grösseren Luftspalt, der Teilkern 3 einen noch grösseren und der Teilkern 4 einen grossen Luftspalt aufweist.
Fig. 18 zeigt die Induktivitätskurve, Induktivität in Funktion des Stromes, einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit zwei Teilkernen.
Fig. 19 zeigt die Induktivitätskurve, Induktivität in Funktion des Stromes einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit drei Teilkernen.
Fig. 20 zeigt die Induktivitätskurve, Induktivität in Funktion des Stromes, einer erfindungsgemässen Delta-Phi-Drossel mit vier Teilkernen.
Das treppenförmige Induktivitätsverhalten, wie sie die Fig. 18, 19 und 20 darstellen, kommen dadurch zustande, dass die Teilkerne magnetisch so ausgelegt sind, dass zuerst der Teilkern 1 bei einem bestimmten Strom den magnetischen Sättigungspunkt erreicht, und die Induktionen der übrigen Teilkerne 2, 3 und 4 bei diesem bestimmten Strom sich noch im magnetisch ungesättigten Bereich befinden. Bei einem weiteren Anstieg des Stromes erreicht der Teilkern 2 bei einem weitern bestimmten Strom den magnetischen Sättigungspunkt und die Induktionen der Teilkerne 3 und 4 sich immer noch im magnetisch ungesättigten Bereich befinden. Dieser Zustand, durch einen weiteren Stromanstieg, wird bis zur magnetischen Sättigung aller Teilkerne durchgeführt.
Entsprechend der magnetischen Auslegung der Teilkerne, der Wahl der Windungszahlen und der Wahl der Schaltungen der Wicklungen können alle beliebigen Indktivitätsverhalten, Induktivität in Funktion des Stromes, erreicht werden.
The present invention relates to a choke coil which has an arbitrary, determinable characteristic, inductance as a function of the current.
Choke coils are used for mains circuits or for sound frequency circuits in all areas of electrical engineering, telecommunications, radio technology, electroacoustics, electronics. Regarding the operating conditions, there are two basic types of choke coils:
a) Choke coils with iron core, without air gap for use in the areas of technical frequencies and in the audio frequency with small AC voltages, mostly without DC load.
b) Choke coils with iron core, with air gap for use in the areas of technical frequencies and audio frequency, with larger alternating voltages and currents and with or without direct current load.
The choke coil basically consists of an iron core with or without an air gap and a winding insulated from earth.
A precise calculation of the inductance is not possible in the case of choke coils with an iron core in a simple and worthwhile manner, since several factors are involved which cannot be determined exactly.
In general, the tolerances for the inductance values of inductors are not too narrow.
In cases where the choke coil is only designed for one operating point, a certain inductance value for a certain current, and is used in a stationary system, the rough tolerance measurement does not play a major role.
However, in cases where the choke coil is designed for a specific working range with a specific course of the inductance values as a function of the current, and the choke coil is also used in vehicles such as trams, trolleybuses, rail-bound railcars and locomotives, the rough tolerance measurement plays a role already a role, since this mainly affects the geometrical dimensions and the weight of the inductor and causes problems that have to be solved.
It is the object of the present invention to provide a choke coil which solves the problems mentioned. The choke coil according to the invention should have a determinable course of the inductance values as a function of the current, corresponding to the requirements, and should therefore be optimally designed with regard to the electrical values, the geometric dimensions, and the weight.
The invention solves this problem with a choke coil, which is characterized in that the core required for the choke coil power is subdivided into at least two sub-cores which are isolated from one another in the direction of the magnetic flux and have different magnetic characteristics in terms of their overall magnetic effect at least one winding wraps around at least two of these partial cores or additionally at least one further winding wraps around at least one of these partial cores.
In the drawings, choke coils according to the invention are shown in principle in various exemplary embodiments. The individual designs serve to create certain inductance curves as a function of the current. The physical background of their mode of action is also illustrated using various magnetization curves and inductance curves. The basic structure and the functional principle of the choke coil according to the invention are explained in the following description. Furthermore, the embodiments shown are described and their modes of operation are explained. The choke coil according to the invention is called delta-phi choke in the following.
It shows:
1 shows the basic structure of the delta phi inductor in its simplest design, consisting of the partial core 1 without an air gap, the partial core 2 with the air gap L2 and the winding A;
2 shows the basic structure of the delta-phi inductor in an expanded design, consisting of the partial core 1 without an air gap, the partial core 2 with the air gap L2 and the windings A, B and C;
3 shows the basic structure of the delta phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2 and 3 with the air gaps L1, L2 and L3 and the winding A;
4 shows the basic structure of the delta phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2 and 4 with the air gaps L1, L2 and L4 and the windings A, C and E;
5 shows the basic structure of the delta phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2 and 3 with the air gaps L1, L2 and L3 and the windings A and B;
6 shows the basic structure of the delta-phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2 and 4 with the air gaps L1, L2 and L3 and the windings A, B, C and E;
7 shows the basic structure of the delta-phi inductor in an expanded design, consisting of the particle cores 1, 2, 3 and 4 with the air gaps L1, L2, L3 and L4 and the winding A;
8 shows the basic structure of the delta-phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2, 3 and 4 with the air gaps L1, L2, L3 and L4 and the windings A, B, C, D and E;
9 shows the basic structure of the delta phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2, 3 and 4 with the air gaps L1, L2, L3 and L4 and the windings A, B, C, D and E;
10 shows the basic structure of the delta phi inductor in an expanded design, consisting of the partial cores 1, 2, 3 and 4 with the air gaps L1, L2, L3 and L4 and the windings A, B, C, D and E;
11 shows the magnetization curves of induction as a function of the field strength for two different materials;
12 shows the influence of the air gaps on the magnetization curves of induction as a function of the flow:
Curve A: the magnetization curve for the core sheet,
Curve B: the magnetization curve for a small air gap,
Curve C: the resultant of curve A and curve B,
Curve D: the magnetization curve for a large air gap,
Curve E:
the resultant of curve A and curve D;
13 shows a core composed of partial cores (1, 2, 3, ..., n-1, n) with a core partially provided with air gaps:
Partial core 1: without air gap,
Partial core 2: with a small air gap,
Partial core 3: with a larger air gap,
Partial core n-l: with two air gaps,
Partial core n: with four air gaps;
14 possible air gap shapes, where mean:
a) parallel air gap,
b) wedge-shaped downward air gap,
c) wedge-shaped air gap upwards,
d) air gap symmetrically wedge-shaped,
e) trapezoidal air gap downwards,
f) trapezoidal air gap upwards,
g) symmetrical trapezoidal air gap;
15 Magnetization curves induction as a function of the flow for two partial cores 1 and 2:
Curve 1 partial core 1 without air gap,
Curve 2 partial core 2 with air gap L2;
16 magnetization curves induction as a function of the flooding for three partial cores 1, 2 and 3:
Curve 1 partial core 1 with air gap L1,
Curve 2 partial core 2 with air gap L2,
Curve 3/4 partial core 3 with air gap L3, or partial core 4 with air gap L4;
17 Magnetization curves induction as a function of the flow for four partial cores 1, 2, 3 and 4:
Curve 1 partial core 1 with air gap L1,
Curve 2 partial core 2 with air gap L2,
Curve 3 partial core 3 with air gap L3,
Curve 4 partial core 4 with air gap L4;
18 choke coil characteristic inductance as a function of the current for a choke coil with 2 partial cores;
Fig. 19 choke coil characteristic inductance as a function of current for a choke coil with 3 partial cores;
Fig. 20 choke coil characteristic inductance as a function of current for a choke coil with 4 partial cores.
Before going into detail about the basic structure and the mode of operation of the delta phi inductor, it should be stated in advance that it can be operated at least as a pure AC inductor and as a DC-magnetized inductor.
The basic structure of the delta-phi inductor in its simplest design comprises at least two magnetically separated partial cores 1 and 2 with different magnetic characteristics and at least one winding A, which wraps around the two partial cores 1 and 2 together.
Depending on the required characteristic, inductance as a function of the current, the delta phi inductor, this is provided with further additional partial cores 3, ..., n and / or with further additional windings A1, ..., An; B; B1, ..., Bn; C; C1, ..., Cn; D; D1, ..., Dn; E; E1, ..., En.
When using several windings, the individual windings are to be connected additively or subtractively in series to winding branches, whereby, under certain conditions, the parallel connection and / or the combined connection of individual windings and / or winding branches is also possible.
Additive series connection of two windings means that the magnetic induction generated by the current-carrying windings add up.
Subtractive series connection of two windings means that the magnetic induction generated by the current-carrying windings subtract.
If two partial cores 1 and 2 with different magnetic characteristics are wound around a winding A through which the current I flows and with the number of turns w, both cores experience the same flux I x w. Characterized in that the two partial cores 1 and 2 have different magnetic characteristics, induction as a function of the flooding, corresponding different induction B1 and B2 are generated in the two partial cores 1 and 2. The two partial cores 1 and 2 also have certain effective core cross sections A1 and A2, corresponding to the choke coil power.
The voltage induced in winding A is therefore:
U = 4.44 x f x w x (A1 x B1 + A2 x B2) x 0.0001
there is:
U = the choke coil voltage in volts
f = the frequency in Hertz
w = the number of turns of winding A
A1 = the effective core cross section of partial core 1 in cm <2>
A2 = the effective core cross section of the partial core 2 in cm <2>
B1 = induction in partial core 1 in Tesla
B2 = induction in partial core 2 in Tesla
The impedance of the choke coil at the corresponding current is therefore:
Z = U / I = R + j omega L
there is:
Z = impedance of the inductor in ohms
U = the choke coil voltage in volts
I = the choke coil current in amperes
R = ohmic resistance of winding A in ohms
j = the imaginary unit of the complex notation of impedance
omega = the angular frequency 2 x x f
L = the inductance of the choke coil in Henry
f = the frequency in Hertz
The reactance of the choke coil with the corresponding current is therefore:
EMI10.1
The inductance of the choke coil at the corresponding current is therefore:
L = X / omega = X / (2 x x f)
The course of the inductance as a function of the current can be determined over the entire current range. All inductance behavior of the inductor can be determined using this system.
1 shows the simplest embodiment of a delta phi inductor according to the invention in principle. The delta-phi inductor has two partial cores with different overall magnetic properties, the partial core 1 having no air gap and the partial core 2 being equipped with an air gap L2. The winding A wraps around both partial cores together.
2 shows the expanded version of a delta phi choke according to the invention in principle. The delta-phi inductor has two partial cores with different overall magnetic properties, the partial core 1 having no air gap and the partial core 2 being equipped with an air gap L2. The winding A wraps around both partial cores together. The winding B wraps around only the partial core 1 and the winding C wraps around only the partial core 2. Through the appropriate circuit, additive and / or subtractive series connection, and the choice of the number of turns of the windings, the magnetic behavior of the two partial cores and thus also the inductance behavior of the Delta Phi inductor can be greatly influenced.
3 shows the expanded version of a delta phi choke according to the invention in principle. The delta-phi inductor has three partial cores with different overall magnetic properties, all partial cores 1, 2 and 3 being equipped with different air gaps L1, L3 and L3. The winding A wraps around all three sub-cores together.
4 shows in principle an inventive delta-phi choke in an extended version with three partial cores 1, 2 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2 and L4. The winding A wraps around all three sub-cores together. The winding C wraps around only the partial core 2 and the winding E wraps around only the partial core 4. By means of the appropriate circuit, additive and / or subtractive series circuit, the choice of the number of turns, the windings, the magnetic behavior of the partial cores and the inductance behavior of the delta phi - Choke can be greatly affected.
5 shows in principle an inventive delta-phi choke in an expanded version with three partial cores 1, 2 and 3 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2 and L3. The winding A wraps around the sub-cores 1 and 2 and the winding B wraps around the sub-cores 1 and 3. Through the appropriate circuit, additive or subtractive series connection or parallel connection, the choice of the number of turns, the windings, the magnetic behavior of the sub-cores and thus the inductance behavior of the Delta Phi inductor can be greatly influenced.
6 shows a delta-phi choke according to the invention in an expanded version in principle. The delta-phi choke has three partial cores 1, 2 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2 and L4.
The winding A wraps around the sub-cores 1 and 2, the winding B wraps around the sub-core 1, the winding C wraps around the sub-core 2 and 4 and the winding E wraps around the sub-core 4. By means of the appropriate circuit, additive or subtractive series circuit, parallel circuit or combined circuit , the choice of the number of turns, the windings, the magnetic behavior of the partial cores and thus also the inductance behavior of the delta-phi inductor can be strongly influenced.
7 shows a delta-phi choke according to the invention in an expanded version in principle. The delta-phi choke has four partial cores 1, 2, 3 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2, L3 and L4. The winding A wraps around all sub-cores together.
8 shows the basic structure of a delta phi choke according to the invention with four partial cores 1, 2, 3 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2, L3 and L4, and with five windings A. , B, C, D and E. The winding A wraps around the partial cores 1, 2, 3 and 4, the winding B wraps around the partial core 1, the winding C wraps around the partial core 2, the winding D wraps around the partial core 3 and the winding E. wraps around the partial core 4. The magnetic behavior of the partial cores and the inductance behavior of the delta-phi inductor can be strongly influenced by appropriate switching, additive and / or subtractive series connection, parallel connection or combined connection, the choice of the number of turns, the windings.
9 shows the basic structure of a delta-phi choke according to the invention in an expanded version with four partial cores 1, 2, 3 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2, L3 and L4, and with five windings A, B, C, D and E. The winding A wraps around the sub-cores 1 and 2, the winding B wraps around the sub-cores 1 and 3, the winding C wraps around the sub-cores 2 and 4, the winding D wraps around the sub-core 3 and the winding E wraps around the partial core 4. The magnetic behavior of the partial cores and the inductance behavior of the delta-phi inductor can be strongly influenced by appropriate switching, additive and / or subtractive series connection, parallel connection or combined connection, the choice of the number of turns, the windings.
10 shows the basic structure of a delta-phi choke according to the invention in an expanded version with four partial cores 1, 2, 3 and 4 with different overall magnetic properties, all partial cores being equipped with different air gaps L1, L2, L3 and L4, and with five windings A, B, C, D and E. The winding A wraps around the partial cores 1, 2 and 3, the winding B wraps around the partial core 1, the winding C wraps around the partial cores 2 and 4, the winding D wraps around the partial core 3 and the winding E wraps around the partial core 4. The magnetic behavior of the partial cores and the inductance behavior of the delta-phi inductor can be strongly influenced by appropriate switching, additive and / or subtractive series connection, parallel connection and / or combined connection, the choice of the number of turns, the windings will.
13 shows a core divided into partial cores with different overall magnetic properties. The different overall magnetic properties are achieved in that the partial core 1 has no air gap and the other partial cores have different air gaps. The different overall magnetic properties can also and / or additionally be achieved by using materials with different magnetic properties, induction as a function of the field strength, as shown in FIG. 11. The applicable air gap distances are shown in Fig. 14. The influence of the air gap section (s) on the magnetic properties of a core or a partial core, induction as a function of the flooding, is shown in FIG. 12.
The magnetic field lines scatter in the zones of the air gap. So that the partial cores do not influence one another magnetically, the individual partial cores must be spaced at least by the distance which corresponds to the largest adjacent air gap.
15 shows the magnetization curves, induction as a function of the flooding, of a delta-phi choke according to the invention with two partial cores 1 and 2 with different overall magnetic properties, the partial core 1 having no air gap and the partial core 2 having an air gap.
16 shows the magnetization curves, induction as a function of the flow, a delta phi choke according to the invention with three partial cores 1, 2 and 3 or 4 with different overall magnetic properties, partial core 1 having a small air gap, partial core 2 having a larger air gap and the partial core 3 or partial core 4 has an even larger air gap.
17 shows the magnetization curves, induction as a function of the flow, of a delta-phi choke according to the invention with four partial cores 1, 2, 3 and 4 with different overall magnetic properties, partial core 1 having a small air gap, partial core 2 having a somewhat larger air gap , the partial core 3 has an even larger and the partial core 4 has a large air gap.
18 shows the inductance curve, inductance as a function of the current, of a delta-phi inductor according to the invention with two partial cores.
19 shows the inductance curve, inductance as a function of the current of a delta-phi inductor according to the invention with three partial cores.
20 shows the inductance curve, inductance as a function of the current, of a delta-phi inductor according to the invention with four partial cores.
The step-shaped inductance behavior, as shown in FIGS. 18, 19 and 20, comes about because the partial cores are designed magnetically so that the partial core 1 first reaches the magnetic saturation point at a specific current, and the induction of the remaining partial cores 2, 3 and 4 are still in the magnetically unsaturated range at this particular current. With a further increase in the current, the partial core 2 reaches the magnetic saturation point with a further determined current and the induction of the partial cores 3 and 4 are still in the magnetically unsaturated region. This state, due to a further increase in current, is carried out until all partial cores are magnetically saturated.
According to the magnetic design of the partial cores, the choice of the number of turns and the choice of the circuits of the windings, any inductance behavior, inductance as a function of the current, can be achieved.