DE102006022438A1

DE102006022438A1 - Luftspule als Koppelinduktivität

Info

Publication number: DE102006022438A1
Application number: DE200610022438
Authority: DE
Inventors: Steffen Klier; Roland Donner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2007-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drosselspule 10, welche mit einer Koppelwicklung 1 magnetisch gekoppelt ist und wobei die Drosselspuleninduktivität mittels der an einer Sekundärwicklung 5 angeschlossenen Koppelwicklung 1 einstellbar ist, wobei die Koppelwicklung 1 mittels einer kernlosen Koppelspule 1 als Luftspule realisiert ist, deren Induktivität vorzugsweise mittels der Anzahl der Spulenwindungen und/oder mittels des Spulenquerschnitts oder mittels der Spulenlänge eingestellt wird.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch zur Realisierung einer stromkompensierten Drossel.
Anwendungsfälle sind Netzfilter (z.B. 3-phasige Ausführung), beispielsweise Mehrachsnetzfilter für Antriebssysteme, und Zwischenkreisdrosseln (z.B. 2-phasige Ausführung). Mit den stromkompensierten Drosseln können Erdableitströme unterdrückt werden, wie sie in Antriebssystemen mit getakteter Ansteuerung der Servomotoren auftreten. Zur Unterdrückung von asymmetrischen Störungen ist es notwendig, dass die Wicklungen eine möglichst große magnetische Kopplung aufweisen, denn für symmetrische Ströme soll die Drossel möglichst keine Induktivität aufweisen. Für diese Anwendung ist es daher nicht sinnvoll die geforderte Induktivität über eine Scherung (Luftspalt) des Kernes einzustellen, denn die Kopplung der Wicklungen wird durch die Scherung deutlich verschlechtert.
Anstelle der Scherung des Kernes zum Einstellen der Induktivität, wird das Trafoprinzip angewendet. Die magnetische Kopplung der Wicklungen kann nun durch einen hochpermeablen Hauptkern hergestellt werden. Die resultierende Induktivität wird unabhängig von der Permeabilität des Hauptkernes über eine entsprechende Dimensionierung des Koppelkernes eingestellt.
Aus dem Stand der Technik sind stromkompensierte Drosseln bekannt. Die Offenlegungsschrift EP 1 487 092 zeigt eine solche Drossel, welche zur Ausfilterung von Gleichtaktstörungen dient. Die Drossel ist mittels zweier bewickelter Kerne realisiert. Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Sättigungsfestigkeit dieser Drossel von der Sättigungsfestigkeit des für die Koppelinduktivität verwendeten Kernmaterials abhängt.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine weitestgehend last- und frequenzunabhängige, stromkompensierte Drossel zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Drosselspule, welche mittels einer Sekundärwicklung mit einer Koppelwicklung bzw. Koppelspule magnetisch gekoppelt ist und wobei die Drosselspuleninduktivität mittels der an der Sekundärwicklung angeordneten Koppelwicklung einstellbar ist, wobei die Koppelwicklung mittels einer kernlosen Koppelspule (Luftspule) realisiert ist, deren Induktivität vorzugsweise mittels der Anzahl der Spulenwindungen oder/oder mittels des Spulenquerschnitts oder mittels der Spulenlänge eingestellt wird.
Dies hat den Vorteil, dass die Sättigungsfestigkeit der stromkompensierten erfindungsgemäßen Drossel unabhängig von einem Kernmaterial ist. Die im Vergleich zu einer Koppelspule mit Kern und identischer Induktivität erforderliche größere Drahtlänge führt außerdem zu einem höheren ohmschen Widerstand, welcher zur Dämpfung parasitärer Resonanzschwingungen vorteilhaft beiträgt. Im Gegensatz zu einer kernbehafteten Koppelspule verringern sich bei der kernlosen Koppelspule die Material- und Herstellungskosten, weil die relativ aufwändige Bewicklung des Kerns (Handarbeit) und der Kern selbst entfällt. Die Sättigungsfestigkeit der stromkompensierten Drossel wird dadurch erhöht und zusätzliche Verluste im Kernmaterial werden vermieden. Die Frequenz- und Stromabhängigkeit der Koppelinduktivität wird ebenfalls eliminiert, da auf den hierfür verantwortlichen Kern durch die erfindungsgemäße Lösung verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Drosselspule verhält sich damit weitestgehend lastunabhängig. Im Gegensatz dazu verhalten sich Koppelinduktivitäten mit Kern sehr lastabhängig, denn hierbei wird die Induktivität aufgrund des Kerns und des in der Spule auftretenden Stromes beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Drosselspule ist so dimensioniert, dass die Lastunabhängigkeit eines Versorgungsmoduls bis zum 1,5-fachen Phasenstrom bei Einspeiseversorgern bzw. bis zum 2,5-fachen Phasenstrom bei Rückspeiseversorgern für Antriebssysteme gegeben ist. Der Phasenstrom liegt je nach Anwendung bei 26 bis 200 Ampere oder darüber.
Das Übersetzungsverhältnis der Anordnung wird mittels der Primär- und Sekundärwindungszahl bestimmt. Bei einer zu geringen Primär-Windungszahl verringert sich das Übersetzungsverhältnis und die Koppelinduktivität müsste größer gewählt werden. Bestünde die Primärwicklung im Extremfall nur aus einer einzigen Windung, so wäre das maximal mögliche Übersetzungsverhältnis nur 1:1. Es wird daher eine hohe Primärwindungszahl und eine geringe Sekundärwindungszahl angestrebt, um ein genügend hohes Übersetzungsverhältnis zu erhalten. Sekundärwindungszahlen mit ein bis 3 Windungen werden daher bevorzugt. Die Windungszahlen der Primärwicklung liegen üblicherweise im Bereich von 20–50. Damit erhält man ein Übersetzungsverhältnis von 20–50, sofern die Sekundärwicklung eine einzige Windung aufweist. Da die an der Sekundärwicklung angeschlossene Impedanz (= Koppelwicklung bzw. Koppelspule ohne Kern) mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnis auf die Primärseite transformiert wird, erscheint sie hier um den Faktor 400–2500 größer.
Bevorzugt ist die Drosselspule mittels eines ungescherten und vorzugsweise ringförmigen Kerns realisiert, wobei die Koppelspule in unmittelbarer Nähe der Drosselspule angeordnet ist und wobei vorzugsweise die Mittelachse der Koppelspule parallel zur Mittelachse des Ringkerns ausgerichtet ist oder mit diesem zusammenfällt. Der vorhandene und aufgrund fortscheitender Miniaturisierung meist sehr beengte Einbauraum innerhalb eines Gehäuses kann aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung somit optimal ausgenutzt werden. Insbesondere bei Montage der Koppelspule auf der Drosselspule, wie weiter oben beschrieben, lässt sich die Gehäusehöhe reduzieren. Eine Koppelspule mit Kern würde gerade wegen des Kerns in jedem Falle höher bauen. Als weiterer Vorteil dieser Anordnung kommt die Tatsache zum Tragen, dass aufgrund des relativ großen Durchmessers der Koppelspule die magnetische Flussdichte verringert wird, weil die Feldliniendichte geringer ist, so dass eine geringere Gehäuseerwärmung und daraus geringere Wärmeverluste resultieren.
Besonders bevorzugt ist die Primärwicklung bifilar oder trifilar auf einem Kern mit einer Permeabilität μ_r von etwa 10.000 bis etwa 50.000, vorzugsweise zwischen etwa 18.000 und etwa 30.000 realisiert. Die hieraus resultierende gute Kopplung vermindert Streuinduktivitäten. Grundsätzlich funktioniert das erfindungsgemäße Prinzip auch noch bei größeren (> 50.000) oder kleineren (< 10.000) Permeabilitäten. Verwendet man jedoch Kerne mit μ_r < 10.000, so verschlechtert sich die Kopplung. Zudem benötigt man in diesem Falle für die Primärwicklung eine höhere Windungszahl, was einen höheren Aufwand bedeutet und die Verluste erhöht. Bei hohen Permeabilitäten über 50.000 verschlechtert sich zunehmend die Sättigungsfestigkeit des Primärkerns.
Vorteilhafterweise umfasst die Primärwicklung einen Ringkern, welcher bei hoher magnetischer Aussteuerbarkeit einen geringen magnetischen Widerstand (= hohe Permeabilität) aufweist, vorzugsweise einen Ringkern aus nanokristallinem Bandmaterial oder aus Bandmaterial, welches Nickel-Eisenblech umfasst. Auch bei hoher magnetischer Aussteuerung treten damit keine allzu großen Verluste auf und die Frequenzunabhängigkeit ist in einem weiten Bereich gegeben. Beide Materialien weisen außerdem ein geringes Gewicht bezogen auf die magnetische Leitfähigkeit auf und die Temperaturabhängigkeit ist im Vergleich zu Ferriten geringer.
Bevorzugt umfasst ein Mehrachsnetzfilter für Versorgungsmodule von Antriebssystemen eine Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Es resultiert hieraus eine effiziente Reduzierung von Erdableitströmen. Aufgrund der erfindungsgemäß bedingten guten Kopplung sind Streuinduktivitäten vernachlässigbar und die Wirkung des Netzfilters wird weitestgehend lastunabhängig. Elektrische Maschinen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, welche mittels eines erfindungsgemäßen Mehrachsnetzfilters versorgt werden, können daher für längere Arbeitsphasen im Überlastbereich betrieben werden ohne EMV-Störungen zu verursachen.
1 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Transformators.
Eine stromkompensierte Drossel (Gleichtakt-Drossel) mit Koppelwicklung arbeitet nach dem Transformator-Prinzip. Die Impedanz der Koppelwicklung, welche die sekundärseitige Last des Transformators darstellt, wird entsprechend dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses auf die Primärseite des Transformators transformiert und wirkt dort als die alleinige und Strom bestimmende Größe. Diese Zusammenhänge werden nun ausgehend von dem Ersatzschaltbild eines Transformators erläutert.
Für die Primärwicklung der stromkompensierten Drossel wird üblicherweise ein hochpermeabler, ungescherter Kern (μ_r ≅ 10.000–50.000) verwendet. Die Wicklung wird bifilar oder trifilar (bei dreiphasigem Aufbau) aufgebracht. Aufgrund der dadurch bedingten guten Kopplung sind die Streuinduktivitäten zu vernachlässigen. Da die Sekundärwicklung vorzugsweise nur aus einer einzigen Windung mit relativ großem Drahtquerschnitt besteht, ist deren Wicklungswiderstand vernachlässigbar. Das gleiche gilt für den Wicklungswiderstand der Koppelspule, welche mittels der Sekundärwicklung an die Primärseite angekoppelt ist. Die Koppelspule ist hier nicht identisch mit der Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklung besteht jedoch aus einer einzigen Windung (= Leiterschleife, welche um den Hauptkern geführt wurde) Sekundär und Koppelwicklung können aus einem einzigen zusammenhängenden Leiter hergestellt werden. Diese Anordnung führt zu dem in 1 dargestellten, vereinfachten Ersatzschaltbild eines Transformators.
Wählt man nun die primärseitige Induktivität der Hauptwicklung L_H um ein Vielfaches (ca. 5–7-fach) größer als die auf die Primärseite transformierte Induktivität der Koppelwicklung L_K', was aufgrund des hochpermeablen Hauptkernes bereits mit wenigen Windungen möglich ist, so tritt in L_H nur ein geringer Magnetisierungsstrom I_μ auf und somit ist I_K (Strom in L_K') ≈ I_Last (Laststrom). Da die Reaktanz X_K um ein Vielfaches (R_Cu liegt im mΩ-Bereich, daher lassen sich leicht Größenordnungen von über 20000 realisieren) größer als der primärseitige Wicklungswiderstand R_Cu1 ist, wird der Strom I_Last nahezu ausschließlich durch die Induktivität L_K' bzw. deren Reaktanz X_K' bestimmt wird.
Verwendet man Ringkerne zur Realisierung von L_K', so müssen diese aus einem Werkstoff bestehen, der bei hoher magnetischer Aussteuerung keine all zu großen Verluste aufweist. Somit kommen hier üblicherweise Eisenpulver-Ringkerne zum Einsatz, die aber im Vergleich zum Hauptkern eine deutlich geringere Permeabilität haben. Die Induktivität der Koppelspule berechnet sich dann nach LK = n2·AL

n: = Windungszahl;
A_L: = magnetischer Leitwert des Kerns

Der A_L-Wert wird vom Kernhersteller für den jeweiligen Kern angegeben. Er setzt sich folgendermaßen zusammen:
mit:

μ_r: = materialabhängige, relative Permeabilität
A_Fe: = Kernquerschnitt
I_Fe: = mittlere Feldlinienlänge = mittlerer Umfang des Ringkerns

Aus diesen Zusammenhängen wird ersichtlich, daas der Wert von μ_r erheblichen Einfluss auf die Induktivität hat. Nachfolgendes Diagramm zeigt den Verlauf der Permeabilität in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke für häufig verwendete Ringkerne aus Eisenpulver.
Diagramm 1 Permeabilitätsverlauf in Abhängigkeit von der magn. Feldstärke
Für die magnetische Feldstärke gilt:
Sie ist also dem Strom I_K direkt proportional. Damit hat die Induktivität der Koppelspule entsprechend dem gewählten Kernmaterial in Abhängigkeit vom Strom den in Diagramm 1 gezeigten Verlauf. Für Feldstärken > 350 Oe (1 Oe = 0.7958 A/cm) ist bei den meisten hier aufgeführten Werkstoffen die Permeabilität schon so gering (Werkstoff magnetisch gesättigt), dass sich die damit realisierte Drossel im Prinzip wie eine Luftspule verhält.
Die relative Permeabilität ist aber nicht nur von der Feldstärke und damit vom Strom abhängig, auch die Betriebsfrequenz hat einen erheblichen Einfluss, wie in Diagramm 2 zu sehen ist. Es handelt sich dabei um die gleichen Werkstoffe wie in Diagramm 1.
Diagramm 2 Permeabilität in Abhängigkeit von der Frequenz
All diese Einflüsse lassen sich vermeiden, wenn man die Koppelinduktivität von vornherein als Luftspule ausführt, da für Luft μ_r = 1 ist. Der etwas höhere Aufwand bei der Drahtlänge (mehr Windungen bzw. größerer Wickeldurchmesser) und der damit größere, ohmsche Wicklungswiderstand wird durch die eingesparten Kosten und die Kernverluste mehr als kompensiert. Außerdem wirkt der erhöhte ohmsche Widerstand dämpfend, was ein zusätzlicher Vorteil sein kann.
2 zeigt die erfindungsgemäße Drosselspule im Schnitt und perspektivisch.
Es ist dargestellt, die erfindungsgemäße Drosselspule 10 mit einer Primärwicklung 2, einem ungescherten Ringkern 3 und einer Koppelspule 1. Die Primärwicklung 2 ist am Ringkern 3 angeordnet, während die als Luftspule realisierte Koppelspule 1 mittels einer Sekundärwicklung 5 (1 Windung) an der Drosselspule so angeordnet ist, dass vorzugsweise die Mittelachse 4 der Koppelspule 10 parallel zur Mittelachse des Ringkerns 3 ausgerichtet ist oder mit dieser zusammenfällt. Dies lässt die Anordnung sehr kompakt ausfallen. Wird diese Anordnung in ein Gehäuse eingebaut, so kann die Gehäusehöhe flacher ausfallen als bei aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen mit Koppelspulenkernen, die stets eine höhere Bauhöhe aufweisen.

1: Koppelspule
2: Primärwicklung
3: Ringkern
4: Mittelachse
5: Sekundärwicklung
10: Drosselspule

Claims

Drosselspule mit Drosselspulenkern (3) und Primärwicklung (2), wobei die Drosselspule (10) mittels einer Sekundärwicklung (5) mit einer Koppelwicklung (1) magnetisch gekoppelt ist und wobei die Drosselspuleninduktivität mittels der Koppelwicklung (1) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwicklung (1) als kernlose Wicklung (1) realisiert ist.
Drosselspule nach Anspruch 1, wobei die Drosselspuleninduktivität mittels der Anzahl der Windungen und/oder der Abmessungen der Koppelwicklung (1) regulierbar ist.
Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Primärwicklung (2) mittels eines ungescherten ringförmigen Kerns (3) realisiert ist, wobei die Koppelwicklung (1) an der Primärwicklung (2) angeordnet ist und wobei vorzugsweise die Mittelachse (4) der Koppelwicklung (1) weitestgehend identisch mit der Mittelachse (4) des mit der Primärwicklung (2) bewickelten ringförmigen Kerns (3) ist.
Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklung (2) bifilar oder trifilar auf einem Kern (3) mit einer Permeabilität von etwa 10.000 bis etwa 50.000, vorzugsweise 18.000 bis 30.000 angeordnet ist.
Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung so konfiguriert ist, dass die auf die Primärseite transformierte Induktivität der Koppelwicklung (1) um ein Vielfaches größer ist, als die Induktivität der Koppelwicklung selbst.
Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primärwicklung (2) einen Kern (3) umfasst, welcher trotz hoher magnetischer Aussteuerung einen geringen magnetischen Widerstand aufweist.
Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern (3) mittels eines Bandmaterials realisiert ist, vorzugsweise mittels nanokristallinem Bandmaterial oder mittels Bandmaterial aus Nickel und Eisen.
Mehrachsnetzfilter für Antriebssysteme mit einer Drosselspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Versorgungsmodul für elektrische Antriebe mit einer Drosselspule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit einem Mehrachsnetzfilter nach Anspruch 8.