DE102006026466B3

DE102006026466B3 - Induktives elektrisches Element, insbesondere Transformator, Übertrager, Drossel, Filter und Wickelgut

Info

Publication number: DE102006026466B3
Application number: DE200610026466
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl.-Ing. Gerlach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: MDEXX GMBH, 28199 BREMEN, DE
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives elektrisches Element (1), insbesondere Transformator, Übertrager, Drossel, Filter und Wickelgut, mit einem Wickelleiter (4) ausgebildet als Draht oder Folie, der unter Bildung einer Wicklung (5) zumindest teilweise um einen ferromagnetischen Kern (2) herum gewickelt ist, welcher bei stromdurchflossener Wicklung (5) zusammen mit mehreren nicht-ferromagnetischen Schichten (9), insbesondere Luftschichten oder Luftspalten, einen magnetischen Kreis bildet, wobei die nicht-ferromagnetischen Schichten (9) von der Wicklung (5) umschlossen werden und mittels zwischen den nicht-ferromagnetischen Schichten (9) angeordneten ferromagnetischen Materialschichten (8) voneinander getrennt sind. Um den Proximity-Effekt bei induktiven elektrischen Elementen zu verringern, wird vorgeschlagen, dass in Richtung der magnetischen Feldlinien des magnetischen Kreises gesehen die Dicke der ferromagnetischen Materialschichten (8) gegenüber der Dicke der unmittelbar benachbarten nicht-ferromagnetischen Schichten (9) um soviel kleiner gewählt wird, dass die Reduzierung des effektiven Wickelleiterquerschnitts und die damit verbundene Erhöhung des Wirkwiderstands als Folge des Proximity-Effekts kleiner gleich einem vorgegebenen Wert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives elektrisches Element, insbesondere einen Transformator, einen Übertrager, eine Drossel, ein Filter und ein Wickelgut, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Transformatoren, Übertrager, Drosseln, Filter und dergleichen Wickelgüter bilden jeweils ein induktives elektrisches Element und sind allgemein bekannt. Zur Erzeugung eines magnetischen Feldes weisen sie eine Wicklung auf, die zur Feldgenerierung von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Zur Bündelung und Leitung des entstehenden magnetischen Feldes (anschaulich der magnetischen Feldlinien) werden ferromagnetische Kerne eingesetzt. Je nach Permeabilität der Kerne erfolgt eine Verstärkung des magnetischen Feldes gegenüber Luft bzw. anderen nicht-ferromagnetischen Materialien.
Dabei ist es zur Linearisierung des Feldverlaufs häufig notwendig, einen Luftspalt in den vom ferromagnetischen Kern gebildeten magnetischen Kreis einzubringen. Luftspalte und andere nicht-ferromagnetische Materialien rufen im magnetischen Kreis jedoch einen Streufluss des magnetischen Feldes und damit der magnetischen Feldlinien hervor. Um den Streufluss möglichst gering zu halten, wird der Luftspalt üblicherweise im magnetischen Kreis innerhalb der Wicklung angeordnet.
Grundsätzlich sorgt der Streufluss in der Wicklung aber für eine Stromverdrängung nach Art eines Skin-Effektes, die auch als Proximity-Effekt bekannt ist. Diese führt dazu, dass es im Bereich des Luftspaltes zu einer starken thermischen Bean spruchung der Wickelleiter, also der Leiter der Wicklung kommen kann. Das wiederum kann zu einer Verkürzung der zu erwartenden Lebensdauer der Wicklung bzw. des Wickelgutes oder sogar zu dessen Ausfall führen.
Weiter ist in der DE 29 46 734 A1 ein Transformator mit Luftspalt beschrieben, der in mehrere Teilluftspalte unterteilt ist, wobei die Teilluftspalte durch Scheiben aus einem ferromagnetischen Werkstoff voneinander getrennt sind. Dabei ist die Breite der Teilluftspalte gegenüber den Scheiben aus ferromagnetischem Werkstoff so klein gewählt, dass das magnetische Streufeld eine geringe seitliche Ausdehnung hat.
Ferner ist aus der EP 1 501 106 A1 ein Ferritkern für ein Induktivitätsbauteil bekannt, das mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Schenkel aufweist, die an den Enden durch ein Joch miteinander verbunden sind. Die Schenkel bestehen aus mehreren aufeinander folgenden Segmenten, die jeweils durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Die Isolatoren wirken dabei als „Luftspalte", d. h. als nicht-ferromagnetische Schichten.
Darüber hinaus zeigt die DE 386 600 C einen Transformator und eine Drosselspule, bei denen der Eisenkörper in einzelne magnetisch voneinander isolierte Blechpakete unterteilt ist. Um Blechpakete verwenden zu können, ist wiederum jedes Blechpaket in einzelne magnetisch parallel geschaltete elektrisch und magnetisch gegeneinander isolierte kleinere Blechpakete unterteilt. Dabei sind die Blechpakete durch dünne magnetisch und elektrisch nicht leitende Zwischenlagen gebildet.
Alternativen zu einem üblichen Luftspalt zeigen die WO 00/74089 A1 und US 4,447,795 .
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Proximity-Effekt bei induktiven elektrischen Elementen zu verringern.
Die Lösung der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben; die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die Lösung sieht vor, dass in Richtung der magnetischen Feldlinien des magnetischen Kreises gesehen die Dicke der ferromagnetischen Materialschichten gegenüber der Dicke der unmittelbar benachbarten nicht-ferromagnetischen Schichten um soviel kleiner gewählt wird, dass die Reduzierung des effektiven Wickelleiterquerschnitts und die damit verbundene Erhöhung des Wirkwiderstands als Folge des Proximity-Effekts kleiner gleich einem vorgegebenen Wert ist. Dünne ferromagnetische Schichten, die voneinander mittels Luftspalten getrennt sind, deren Dicke groß gegenüber den ferromagnetischen Schichten selbst ist, bewirken eine deutliche Verringerung des Streuflusses der magnetischen Feldlinien. Werden anstelle von Luft andere nicht-ferromagnetische Isolierstoffe verwendet, so ist für eine gute thermische Kopplung der aneinander angrenzenden Komponenten (ferromagnetische Materialschichten, nicht-ferromagnetischen Schichten) zu sorgen, z. B. durch Verklebung des Isolierstoffs an der oder den ferromagnetischen Schicht bzw. Schichten.
Um den Verlauf der magnetischen Feldlinien wirksamer zu steuern, wird vorgeschlagen, dass nach Art einer Sandwich-Struktur eine Vielzahl von ferromagnetischen und nicht-ferromagne tischen Schichten einander abwechseln, wobei die Dicke der ferromagnetischen Materialschichten gegenüber der Dicke der unmittelbar benachbarten nicht-ferromagnetischen Schichten wesentlich geringer ist. Die Sandwich-Struktur verringert wirksam den physikalisch bedingten Proximity-Effekt in der benachbarten Wicklung oder den benachbarten Wicklungen.
Eine kostengünstige und technisch einfache Ausgestaltung sieht vor, dass die ferromagnetische Schicht als ein dünnes laminiertes Blech ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 induktives elektrisches Element in Form einer Mantelkerndrossel und
2 einen Längsschnitt durch die Mantelkerndrossel gemäß 1.
1 zeigt ein induktives elektrisches Element 1 in Form einer Mantelkerndrossel 1a, die einen laminierten ferromagnetischen Kern 2 aufweist, welcher von einem Spulenkörper 3 umschlossen wird. Auf den Spulenkörper 3 ist ein elektrischer Leiter 4 (s. 2) so aufgewickelt, dass er eine Wicklung (Spule) 5 bildet. Zum Anschließen der Mantelkerndrossel 1a sind die Leiterenden 6 der Wicklung 5 (des Leiters 4) herausgeführt.
In 2 ist ein Längsschnitt durch die Mantelkerndrossel 1a und insbesondere durch den Kern 2 in einer schematischen Darstellung dargestellt. Wie 2 zeigt, weist der zu einem magnetischen Kreis gehörende und diesen gleichzeitig mitbildende Kern 2 eine Schicht-Struktur 7 nach Art einer Sandwich-Struktur auf, die von ferromagnetischen Schichten 8 und nicht-ferromagnetischen Schichten 9 gebildet ist, welche abwechselnd angeordnet sind. Die Schicht-Struktur 7 besteht also aus unmittelbar benachbarten nicht-ferromagnetischen und ferromagnetischen Schichten 8, 9. Die 2 zeigt, dass die ferromagnetischen Materialschichten 8 hier wesentlich dünner als die nicht-ferromagnetischen Schichten 9 sind, wodurch erst eine wesentliche Verringerung des Proximity-Effekts erreicht wird. Dies, weil sich mit Hilfe der Schicht-Struktur 7 die Eindringtiefe der magnetischen Streuflüsse in die Wicklung 5 deutlich und gezielt verringern lässt. Praktisch wird die Dicke der ferromagnetischen Materialschichten 8 so gewählt, dass sich der effektive Wickelleiterquerschnitt und die damit verbundene Erhöhung des Wirkwiderstands als Folge des Proximity-Effekts kleiner gleich einen vorgegebenen praktisch zu erzielenden Wert ist. Der effektive Wickelleiterquerschnitt ist dabei der Querschnitt des Leiters 4, der als Folge des Proximity-Effekts den Strom in einen Teilbereich des Leiters 4 verdrängt. Grundsätzlich könnte man die Dicke der ferromagnetischen Materialschichten 8 extrem klein wählen. Da diese aber bei der Bündelung der magnetischen Feldlinien eine Erwärmung erfahren, ist die Dickenreduzierung der ferromagnetischen Materialschicht 8 letzten Endes begrenzt durch die Möglichkeit, die Wärme über die nicht-ferromagnetische Schicht 9 abzuführen. Die nicht-ferromagnetische Schicht 9 ist im einfachsten Falle eine Luftschicht; sie kann aber auch aus einem Isolationsmaterial bestehen. In letzterem Falle ist auf eine gute thermische Kopplung mit dem Material der ferromagnetischen Materialsschichten 9 zu achten. Der Isolierstoff sollte außerdem eine gute Wärmeleitung aufweisen.
Die Dicke der ferromagnetischen Materialschicht ist typischerweise kleiner gleich 0,5 mm, d. h. es kann ein übliches laminiertes Blech verwendet werden, so, wie es üblicherweise für den Kern 2 der Drossel 1a verwendet wird. Die laminierten Bleche werden allerdings, wie 2 zeigt, nicht näher zu den Blechen des Kerns 2 angeordnet.
Eine Vielzahl von Schichten 8, 9 ermöglicht es weiter, dass zusätzliche Verluste und eine Erwärmung in der Wicklung 5 vermieden und eine homogenere thermische Anbindung an den ferromagnetischen Kern 2 erreicht wird.
Eine Reduzierung des Proximity-Effekts ergibt sich aber auch schon bei einer einzigen ferromagnetischen Materialsschicht 8, an die beidseitig eine nicht-ferromagnetische Schicht 9 angrenzt.

Claims

Induktives elektrisches Element (1), insbesondere Transformator, Übertrager, Drossel, Filter und Wickelgut, mit einem Wickelleiter (4), insbesondere ausgebildet als Draht oder Folie, der unter Bildung einer Wicklung (5) zumindest teilweise um einen ferromagnetischen Kern (2) herum gewickelt ist, welcher bei stromdurchflossener Wicklung (5) zusammen mit mehreren nicht-ferromagnetischen Schichten (9) einen magnetischen Kreis bildet, bei dem die nicht-ferromagnetischen Schichten (9) von der Wicklung (5) umschlossen werden und mittels zwischen den nicht-ferromagnetischen Schichten (9) angeordneten ferromagnetischen Schichten (8) voneinander getrennt sind, wobei wie bei einer Sandwich-Struktur jeweils einer ferromagnetischen Schicht (8) eine unmittelbar benachbarte nicht-ferromagnetische Schicht (9) und so weiter folgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Schichten (8, 9) vorgesehen sind, dass in Richtung der magnetischen Feldlinien des magnetischen Kreises gesehen die Dicke der ferromagnetischen Schichten (8) kleiner ist, insbesondere wesentlich kleiner ist, als die Dicke der unmittelbar benachbarten nicht-ferromagnetischen Schichten (9) und dass die thermische Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten (8) und den nicht-ferromagnetischen Schichten (9) derart ausgebildet ist, dass die mit der geringeren Dicke der ferromagnetischen Schichten (8) verbundene Erwärmung dieser Schichten (8) über die nicht-ferromagnetischen Schichten (9) ableitbar ist.
Induktives elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Schichten (8) als ein dünne laminierte Bleche ausgebildet sind.