DE102007042824A1

DE102007042824A1 - Spule mit variabler Permeabilität

Info

Publication number: DE102007042824A1
Application number: DE102007042824A
Authority: DE
Inventors: Chingchi Ann Arbor Chen; Feng Canton Liang; Michael Novi Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2008-04-03
Also published as: CN101183604B; US20080074230A1; GB2442128A; CN101183604A; GB0718328D0

Abstract

Eine nachfolgend als Spule bezeichnete Drosselspule mit einem Kern (140) weist ein Element (141) mit mehreren Materialbereichen (142) auf, die jeweils bestimmte Sättigungsflussdichten und Permeabilitäten aufweisen. Dem Element (141) ist eine derart ausgebildete Wicklung (194) zugeordnet, dass diese in dem Kern (140) einen magnetischen Fluss erzeugt. Eine weitere Spule (180) kann außerdem oder alternativ einen Kern (192) mit einem Element (198) mit einem Spalt (188) und einem in diesem angeordneten permeabilitätsvariierenden Element (182) aufweisen. Der Kern (192) weist eine erste Sättigungsflussdichte auf. Das permeabilitätsvariierende Element (182) weist eine zweite Sättigungsflussdichte auf, die geringer ist als die erste Sättigungsflussdichte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische und elektrische Anordnungen, Bauteile und Schaltungen für Anwendungen im Fahrzeug- und Nicht-Fahrzeug-Bereich. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die effektive Permeabilität und somit die Induktivität der Kernstrukturen von Induktoren bzw. Drossel- oder Filterspulen, nachfolgend Spulen genannt.
Gegenwärtig sind vielfältige unterschiedliche, für zahlreiche Zwecke eingesetzte Spulenstrukturen bekannt. Spulen kommen z. B. in hybridelektrischen Fahrzeugen, Ventilatorenantrieben, Waschmaschinen, Kühlschränken und verschiedenen anderen Maschinen und Geräten zum Einsatz, wo sie der Verbesserung der Effizienz und Leistung, der Lärmminderung sowie anderen Aufgaben dienen, die mit ihrer Verwendung gewöhnlich in Verbindung gebracht werden.
Spulen weisen typischerweise ferromagnetische Kerne auf, die rechteckförmig sein können und ein oder mehrere Fenster aufweisen. Eine oder mehrere Wicklungen sind um entsprechende Teile des Kerns gewickelt. Den Wicklungen zugeführter elektrischer Strom erzeugt in dem Kern einen magnetischen Fluss. Um zu vermeiden, dass bei Hochlastzuständen eine Sättigung des Kerns eintritt, weist dieser häufig einen Spalt oder mehrere Spalte mit niedriger Permeabilität auf, der dafür sorgt bzw. die dafür sorgen, dass die effektive Permeabilität des Kerns und damit die Induktivität in diesem reduziert wird. Bei geringer Last wird der Kern damit nicht voll genutzt. Im Allgemeinen nehmen mit zunehmender Spaltgröße die Permeabilität und die Induktivität ab. Für Systeme, deren Betrieb hauptsächlich bei geringer Last erfolgt, ist dies ein erheblicher Nachteil.
Zur Behebung dieses Nachteils liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Spule bzw. Spulenstruktur zu schaffen, mittels derer die oben beschriebenen Nachteile bisheriger Kernstrukturen überwunden werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Spule vorgesehen, die einen Kern aufweist, der über ein Element mit mehreren Materialbereichen verfügt. Den Materialbereichen entsprechen jeweils bestimmte Sättigungsflussdichten. An das Element ist eine zur Erzeugung von magnetischem Fluss im Kern ausgebildete Wicklung gekoppelt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Spule bereitgestellt, die einen Kern aufweist, der über Elemente mit Spalten und permeabilitätsvariierenden Elementen verfügt. Der Kern hat eine erste Sättigungsflussdichte. Die permeabilitätsvariierenden Elemente sind in den Spalten angeordnet und haben Sättigungsflussdichten, die geringer sind als die erste Sättigungsflussdichte. Wenigstens eine Wicklung ist an das Element gekoppelt und dahingehend ausgebildet, magnetischen Fluss in dem Kern zu generieren.
Die vorliegende Erfindung bietet mehrere Vorteile. Ein von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil besteht darin, dass eine Spule geschaffen wird, die wenigstens einen Bereich oder ein Element aufweist, die bzw. das über eine hohe Permeabilität bei Niedriglastzuständen und eine geringe Permeabilität bei hohen Lastzuständen verfügt. Hierdurch wird zugleich die Nutzung des Spulenmaterials im Sinne einer verbesserten Flussdichte bei geringem Strom effektiviert, während bei hohen Lastzuständen die gewünschte Induktivität zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass es zu einer Überhitzung der Spule kommt.
Ein weiterer, von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil besteht in der Schaffung einer Spule, die auf eine gewünschte Permeabilität und Induktivität für einen vorausbestimmten Lastzustand abstimmbar ist.
Ein weiterer, durch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil besteht in der Schaffung einer Spule mit hoher Permeabilität bei Niedriglastzuständen und niedriger Permeabilität bei Hochlastzuständen mit kontrollierten oder begrenzten Verlusten, wie z. B. Wirbelstromverlusten oder Hystereseverlusten.
Die vorliegende Erfindung ist vielfältig nutzbar, da sie eine Anzahl verschiedener Ausgestaltungen bietet, die für unterschiedliche Anwendungen, elektronische Schaltungen und Industriezweige genutzt und dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst und auf diesen abgestimmt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer herkömmlichen Spule mit einem zum magnetischen Flussweg senkrecht ausgerichteten Spalt;
2 eine Seitenansicht einer herkömmlichen Spule mit einem geneigt bzw. schräg verlaufenden Spalt;
3 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Spulenkerns mit mehreren Spalten;
4 eine Seitenansicht eines Spulenkerns mit verteilten und gleichmäßig darüber ausgebreiteten Spalten;
5 eine schematische Ansicht einer beispielhaften elektronischen Schaltung, die eine Spule mit Elementen oder Materialbereichen mit verschiedenen magnetischen Sättigungsflussdichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
6 eine Seitenansicht eines Spulenkerns mit mehreren Materialbereichen mit verschiedenen magnetischen Sättigungsflussdichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns mit einer Serien- bzw. Reihenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns mit einer Parallelstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns mit einer Reihen- und Parallelstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine Seitenansicht einer Spule mit einem permeabilitätsvariierenden Element bei senkrechter Ausrichtung des magnetischen Flusses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Seitenansicht einer Spule mit einem permeabilitätsvariierenden Element bei einer geneigten Ausrichtung des magnetischen Flusses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 eine Seitenansicht eines Spulenkerns mit Elementrandspalten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine Seitenansicht eines Spulenkerns mit rechteckförmigen internen Elementspalten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14 eine Seitenansicht eines Spulenkerns mit hexagonalförmigen internen Elementspalten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 1 und 2 zeigen Seitenansichten einer ersten Spule 10 nach dem Stand der Technik und einer zweiten Spule 12 nach dem Stand der Technik. Die erste Spule 10 weist seitlich einen Spalt 14 auf, der annähernd senkrecht zu einem magnetischen Flussweg Φ₁ ausgerichtet ist. Die zweite Spule 12 hat einen geneigt bzw. schräg verlaufenden Spalt 16. Die erste Spule 10 vertilgt über einen ersten rechteckförmigen Kern 18 und ein erstes rechteckförmiges Fenster 25 sowie eine Wicklung 20, die um ein erstes Element 22 des ersten Kerns 18 gewickelt ist. Der Spalt 14 erstreckt sich quer durch ein zweites Element 24, welches gegenüber dem ersten Element 22 angeordnet ist. Der magnetische Flussweg Φ₁ folgt den Elementen 22, 24 und 26 des ersten Kerns 18 und wird von diesen definiert.
Die zweite Spule 12 ist ähnlich der ersten Spule 10 ausgebildet. Statt jedoch über einen senkrecht ausgerichteten Spalt zu verfügen, weist die zweite Spule 12 einen diagonal ausgerichteten bzw. schräg verlaufenden Spalt 16 auf. Der Spalt 16 stellt eine nichtsenkrechte Anordnung gegenüber dem durch die zweite Spule 12 verlaufenden magnetischen Flussweg Φ₂ dar. Die zweite Spule 12 verfügt über einen zweiten Kern 28 mit einem zweiten Fenster 30. Um ein gegenüberliegend zu dem geneigten Spalt 16 angeordnetes Kernelement 34 des Kerns 28 ist eine Wicklung 32 gewickelt.
Die Spalte 14 und 16 verhindern eine Sättigung der Kerne 18 und 28 bei Hochlastzuständen. Als Hochlastzustände werden Zustände bezeichnet, in denen aufgrund einer großen Menge durch die Wicklung(en) fließenden Stroms eine nen nenswerte Menge an magnetischem Fluss erzeugt wird. Da Luftspalte eine relative Permeabilität μ_r haben, die annähernd gleich eins ist, kann die Größe der Spalte 14 und 16 so gewählt werden, dass eine Kernsättigung in geeigneter Weise verhütet wird. Dabei ist natürlich i.A. die effektive Gesamtpermeabilität umso geringer, je größer der Spalt ist.
Da die Kerne einer Spule zur Begünstigung der Induktivität gewöhnlich aus ferromagnetischen Materialien bestehen, wird davon ausgegangen, dass die Kerne 18 und 28 eine wesentlich höhere Permeabilität aufweisen als die Spalte 14 und 16. Damit lässt sich für die erste Spule 10 und die zweite Spule 12 die Flussdichte B₁ bzw. B₂ durch die Spalte 14 bzw. 16 anhand der nachfolgenden Gleichungen (1) bzw. (2) abschätzen:
Die Berechnung der Flussdichten B₁ und B₂ erfolgt unter Berücksichtigung der jeweiligen Permeabilität μ_x der Spalte 14 und 16, der Anzahl der Windungen der Wicklungen N_x und des damit verbundenen Wicklungsstroms I_x, wobei x die betreffende Spule symbolisiert. Es wird davon ausgegangen, dass die Querschnittsfläche A₁ des ersten Spalts 14 und die entsprechende Querschnittsfläche A₂ des zweiten Spalts 16 gleich groß sind. Die Querschnittsfläche A₁ folgt der Schnittlinie A-A in 1. Es wird angenommen, dass die der Schnittlinie B-B in 2 folgende Querschnittsfläche ebenfalls A₁ ist. Die Querschnittsfläche A₂ folgt der Schnittlinie C-C von 2. Es sei weiterhin angenommen, dass der Gesamtfluss Φ₁ und Φ₂ für die beiden Kerne 18 bzw. 28, wie in nachfolgender Gleichung (3) dargestellt, annähernd der gleiche ist, und zwar mit den gleichen Spaltpermeabilitäten (μ = μ₁ = μ₂), Wicklungen (N = N₁ = N₂) und Eingangströmen (I = I₁ = I₂).
Es gelten daher die in den nachfolgenden Gleichungen (4) und (5) dargestellten Beziehungen:
Es ist zu beachten, dass die Flussdichte B₂ kleiner ist als B₁ und B₂'. Ferner kann die Induktivität L der Kerne 18 und 28 durch nachfolgende Gleichung (6) dargestellt werden:
Zur Verhinderung einer übermäßigen Kernsättigung werden die Längen der Spalte g₁ und g₂ unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (7) so gewählt, dass bei einem Maximalstrom I_max eine Sättigung der Kerne 18 und 28 unterbleibt.
Die maximale Flussdichte ohne übermäßige Kernsättigung für die beiden Kerne 18 und 28 wird durch B_xsat dargestellt.
3 zeigt eine Seitenansicht eines Spulenkerns 40 nach dem Stand der Technik mit mehreren Spalten 42. Spulen können i.A. mehrere Kerne, Wicklungen und Spalte aufweisen. Als Beispiel weist die Spule 40 sechs Spalte 42 mit zugehörigen Spaltlängen g₃-g₈, drei Spalte an einem ersten Element 44 und drei Spalte an einem zweiten Element 46. Wie in nachfolgender Gleichung (8) darge stellt, ist die effektive Gesamtspaltlänge g_T des Spulenkerns 40 gleich der Summe der Spaltlängen g₃-g₈: gT = g3 + g4 + g5 + g6 + g7 + g8 (8)
Die Gesamtspaltlänge g_T ist so gewählt, dass bei Volllast eine Sättigung des Spulenkerns 40 verhindert wird.
In 4 ist eine Seitenansicht eines Spulenkerns 50 gezeigt, die über diesen ausgebreitete und gleichmäßig verteilte Spalte 52 aufweist. In Fortentwicklung des oben beschriebenen Ansatzes können die Spalte 52 eines Spulenkerns 50 verteilt angeordnet sein. Die Spalte 52 weisen ein geringes μ auf und sind gleichmäßig über den Spulenkern 50, der ein hohes μ aufweist, verteilt. Dies wird durch ein mit 53 bezeichnetes Muster dargestellt. Die Spalte 52 sind sehr zahlreich und infinitesimal klein. Infolgedessen ist eine unbegrenzte Anzahl oder eine sehr große Anzahl von Bereichen mit hohem μ sowie von Luftspalten vorhanden, die miteinander kombiniert werden, um eine Oberflächenbeschaffenheit mit einer Mikrostruktur entstehen lassen, die ähnlich der Struktur eines in 6 mit 140 bezeichneten Spulenkerns ist. Der Unterschied zwischen dem Spulenkern 50 und dem Spulenkern 140 ist jedoch, dass der Spulenkern 50 aus gewöhnlichen Spaltmaterialien besteht, in der Regel mit einer relativen Permeabilität von 1. Im Gegensatz dazu weist der Spulenkern 140, wie weiter unten beschrieben, zahlreiche verschiedene Bereiche auf, einige davon mit selbstregulierenden Permeabilitäten.
Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Materialen mit geringer Sättigungsdichte mit Hauptmaterialen hoher Sättigungsdichte kombiniert. Die Materialen mit geringerer Sättigungsdichte werden gesättigt und dienen als gering permeable Abstandhalter, um eine Sättigung der Materialen mit hoher Sättigungsdichte zu verhüten. Auf diese Weise erhält man eine Struktur mit "intelligenten" bzw. selbstregulierenden spaltäquivalenten Bereichen.
Die in den nachfolgend beschriebenen Figuren verwendeten Bezugsziffern bezeichnen in den verschiedenen Ansichten jeweils dieselben Elemente. Die vorlie gende Erfindung kann in der Automobil-, der Luftfahrt-, der Schifffahrt- und der Eisenbahnindustrie sowie in anderen Industriezweigen Anwendung finden, in denen Spulen zum Einsatz kommen. Die vorliegende Erfindung kann in gewerblichen und nichtgewerblichen Bereichen Anwendung finden. Die vorliegende Erfindung kann in Geräten, Eisenbahnwagen, Landmaschinen, Hilfseinrichtungen, Kommunikationssystemen sowie einer Vielzahl weiterer Anwendungen und Einrichtungen zum Einsatz kommen.
Überdies kann eine Vielzahl verschiedener anderer Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, mit Kombinationen, deren Eigenschaften sich von denen der vorliegenden Erfindung unterscheiden, die andere Eigenschaften als die hierin beschriebenen aufweisen oder in denen eine oder mehrere dieser Eigenschaften nicht vorhanden sind. Es ist somit ersichtlich, dass die Erfindung in einer Vielzahl anderer geeigneter Ausführungsformen angewandt werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Betriebsparameter und Bauteile für eine konstruierte Ausführungsform erläutert. Diese spezifischen Parameter und Bauteile sind als Beispiele genannt, ohne dadurch den Schutzbereich der Erfindung einzuschränken.
In 5 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften elektronischen Schaltung 60, die über eine Spule L mit Elementen oder Materialbereichen verfügt, die verschiedene magnetische Sättigungsflussdichten aufweisen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gezeigt (obwohl solche Elemente oder Materialbereiche in 5 nicht dargestellt sind, sind Beispiele solcher Elemente und Materialbereiche in den 6-14 gezeigt). Obgleich die beispielhafte elektronische Schaltung 60 in Verbindung mit einem Gleichstromaufwärtsumrichter (DC-to-DC boost converter) gezeigt wird, ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf Gleichstromumrichter beschränkt; diese kann vielmehr bei verschiedenen anderen bekannten elektronischen Schaltungen angewandt werden. Sämtliche in den 6 bis 14 gezeigten und hierin beschriebenen oder anhand der Lehren hierin entwickelten Spulen können in der Ausführungs form, die sich auf 5 bezieht, und in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die elektronische Schaltung 60 weist eine Leistungsquelle 64, einen Gleichstromaufwärtsumrichter 66, elektronische Antriebe 68 und Motoren 70 auf. Der Gleichstromumrichter 66 empfängt Leistung von der Leistungsquelle 64, die über eine Eingangspannung V₁ verfügt. Die Leistungsquelle 64 verfügt über einen Quellenanschluss 72 und einen Masseanschluss 74. Der Gleichstromumrichter 66 erhöht den Spannungspegel auf V₂, der von den Antrieben 68 empfangen wird. Die Antriebe 68 dienen zur Leistungsversorgung und Steuerung der Motoren 70 sowie zum Datenaustausch mit diesen.
Der Gleichstromumrichter 66 weist einen ersten Kondensator C₁ auf, der parallel zu der Leistungsquelle 64 gekoppelt ist. Der erste Kondensator C₁ verfügt über einen ersten positiven Anschluss 80 und einen ersten negativen Anschluss 82. Der erste negative Anschluss 82 ist an den Masseanschluss oder die Masse 74 gekoppelt.
Außerdem weist der Gleichstromumrichter 66 einen ersten Schalter 84 und einen zweiten Schalter 86 auf, die in Reihe geschaltet sind. Der erste Schalter 84 verfügt über eine erste Basis 88, einen ersten Kollektor 90 und einen ersten Emitter 92. Der zweite Schalter 86 verfügt über eine zweite Basis 94, einen zweiten Kollektor 96 und einen zweiten Emitter 98. Der zweite Schalter 86 ist parallel zu dem ersten Kondensator C₁ gekoppelt. Der erste Emitter 92 ist an den zweiten Kollektor 96 gekoppelt. Der zweite Emitter 98 ist an den Masseanschluss 74 gekoppelt. Zur Aktivierung der Schalter 84 und 86 können die Basen 88 und 94 an ein Steuergerät (nicht dargestellt) gekoppelt sein oder Leistung von diesem empfangen.
Die Spule L ist mit der Leistungsquelle 64 in Reihe gekoppelt und verfügt über einen Eingangsanschluss 100 und einen Ausgangsanschluss 102. Der Eingangsanschluss 100 ist an den ersten positiven Anschluss 80 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss 102 ist an den ersten Emitter 92 und den zweiten Kollektor 96 gekoppelt.
Die Spule L ist abstimmbar ausgebildet, um bei niedrigen und hohen Lastzuständen eine gewünschte Permeabilität aufzuweisen. Bei geeigneter Gestaltung der Geometrie und geeigneter Auswahl des Materials, ist die Gesamtpermeabilität bei Volllast abstimmbar, um derjenigen von Spulenkernen zu entsprechen, die Spalte mit geringem μ aufweisen. Die Gesamtpermeabilität wird ohne übermäßige Verluste bereitgestellt und ist bei Niedrigstromzuständen hoch. Dies wird weiter unten unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gemäß der 6 bis 14 beschrieben.
Dioden D₁ und D₂ sind über die Schalter 84 und 86 gekoppelt. Die erste Diode D₁ verfügt über einen ersten Kathodenanschluss 104 und einen ersten Anodenanschluss 106. Der erste Kathodenanschluss 104 ist an den ersten Kollektor 90 gekoppelt. Der erste Anodenanschluss 106 ist an den ersten Emitter 92 gekoppelt. Die zweite Diode D₂ verfügt über einen zweiten Kathodenanschluss 108 und einen zweiten Anodenanschluss 110. Der zweite Kathodenanschluss 108 ist an den zweiten Kollektor 96 gekoppelt. Der zweite Anodenanschluss 110 ist an den zweiten Emitter 98 gekoppelt.
Ein zweiter Kondensator C₂ ist an die Schalter 84 und 86 gekoppelt und parallel zu diesen angeordnet. Der zweite Kondensator C₂ verfügt über einen zweiten positiven Anschluss 116, der an den ersten Kollektor 90 gekoppelt ist sowie über einen zweiten negativen Anschluss 118, der an den zweiten Emitter 98 gekoppelt ist. Die Ausgangsspannung V₂ des Gleichstromumrichters 66 kann über den zweiten Kondensator C₂ gemessen werden.
Den Antrieben 68 sind positive Eingangsanschlüsse 120, negative Eingangsanschlüsse 124 und Dreiphasenausgangsanschlüsse 122, 126 und 128 zugeordnet. Die positiven Eingangsanschlüsse 120 sind an den zweiten positiven Anschluss 116 gekoppelt, die negativen Eingangsanschlüsse 124 sind an den zweiten negativen Anschluss 118, und die Dreiphasenausgangsanschlüsse 122, 126 und 128 sind an die Motoren 70 gekoppelt.
6 zeigt eine Seitenansicht eines Spulenkerns 140 mit mehreren Materialbereichen 142, die verschiedene magnetische Sättigungsflussdichten aufweisen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Spulenkern 140 besteht aus mehreren Elementen 141 mit Materialbereichen 142, die beliebige Begrenzungen 144 aufweisen. Die Bereiche 142 können sich je nach Anwendung in der Anzahl, der Größe, der Form, dem Muster und der Anordnung unterscheiden.
Jeder Bereich 142 weist eine bestimmte Permeabilität und magnetische Sättigungsflussdichte auf. Gemäß einer Ausführungsform weist die Mehrzahl der Materialbereiche 142, sofern sie nicht gesättigt sind, eine hohe Permeabilität auf. Die Materialbereiche 142 können eine variierende oder annähernd gleiche Permeabilität aufweisen. Andererseits weisen einige der Materialbereiche 142 eine relativ hohe magnetische Sättigungsflussdichte (high-B_sat zones) auf, wohingegen andere Materialbereiche über eine relativ geringe magnetische Sättigungsflussdichte (low-B_sat zones) verfügen. Wenn die Bereiche mit geringer Sättigungsflussdichte gesättigt werden, wie etwa während Situationen mit hoher Last oder hoher Flussdichte, haben sie eine geringe Permeabilität, die sich derjenigen eines Luftspalts nähert oder dieser gleich ist. Mit anderen Worten, die effektive Permeabilität der Bereiche mit geringer Sättigungsflussdichte variiert unter verschiedenen Lastzuständen erheblich. Dies verhütet, dass andere Bereiche bei Hochlastzuständen gesättigt werden. Materialien, Besetzungsdichte und Formen der Bereiche mit geringer Sättigungsflussdichte werden je nach den Erfordernissen der Anwendung so ausgewählt, dass die Verluste in diesen Bereichen innerhalb annehmbarer Grenzen bleiben.
Die Materialbereiche 142 können aus üblicherweise für Spulenkerne verwendeten Materialien, wie z.B. Eisen, Eisenpulver und Ferrit bestehen oder auch aus anderen, mit Spulenkernen normalerweise nicht in Zusammenhang gebrachten Materialien, wie z.B. Nichteisenmaterialien, Isoliermaterialien, gering- oder nichtleitfähigen Materialien oder anderen geeigneten Kernmaterialien oder -materialkombinationen. Die Auswahl des Materials hängt von der Anwendung sowie der damit verbundenen gewünschten Permeabilität, Sättigungsprävention, Flussdich te und dem Strom ab. Die genannten Materialien können auch zur Herstellung der unter Bezugnahme auf die 7-14 beschriebenen Kerne verwendet werden.
In 7 ist eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns 150 mit einer Reihenstruktur (serial structure) 152 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Spulenkern 150 weist Materialbereiche 154 auf, die in einer Kaskaden- oder Reihenanordnung gekoppelt sind. Die Materialbereiche 154 können in Form von Schichten ausgebildet und gestapelt oder Seite an Seite angeordnet sein. Der magnetische Fluss Φ'' wird so durch die einzelnen Bereiche 154 geleitet, dass er diese nacheinander bzw. einzeln erreicht. Bei dieser Anordnung werden Bereiche mit geringer Sättigungsflussdichte zuerst gesättigt und dienen als Spalte mit geringer Permeabilität.
In 8 ist eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns 160 mit einer Parallelstruktur 162 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Spulenkern 160 verfügt über Materialbereiche 164, die parallel gekoppelt sind. Der magnetische Fluss Φ ist in parallele Wege 166 unterteilt, die gleichzeitig durch die einzelnen Materialbereiche 164 geleitet werden. Die Flusswege 166 mit höherer Permeabilität ziehen zunächst mehr Fluss an, bis sie gesättigt sind, wodurch die effektive Permeabilität der Gesamtstruktur in dem Maße abnimmt, wie der Strom über den Sättigungspunkt hinaus ansteigt.
In 9 ist eine seitliche Nahansicht eines Teils eines Spulenkerns 170 mit einer Kombination aus Reihen- und Parallelstruktur 172 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Spulenkern 170 gleicht dem Spulenkern 140. Die Materialbereiche 174 der Spule 170 sind gekoppelt und in beliebiger Weise relativ zueinander angeordnet, so dass es sich im Wesentlichen um die Kombination der Ausführungsformen gemäß den 7 und 8 handelt.
Wie gezeigt, können die Begrenzungen zwischen den in den 7 bis 9 gezeigten Materialbereichen 154, 164 und 174 beliebig sein. Die Materialbereiche 154, 164 und 174 weisen verschiedene Permeabilitäten und entsprechende magnetische Sättigungsflussdichten auf.
Die unter Bezugnahme auf die nachfolgenden 10-11 beschriebenen Ausführungsformen stellen Anschauungsbeispiele von Spulenkernen mit Reihenanordnung dar, ähnlich dem unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Kern.
Die 10 und 11 zeigen eine Seitenansicht einer ersten Spule 180 mit einem seitlichen Element 182 mit geringerer Sättigungsflussdichte als die eines ersten Hauptkerns 192 in einer senkrechten magnetischen Flussfließausrichtung und eine Seitenansicht einer zweiten Spule 184 mit einem geneigten Element 186 mit geringerer Sättigungsflussdichte als die eines ersten Hauptkerns 202 in einer geneigten magnetischen Flussfließausrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die Sättigungsflussdichte des Elements 182 geringer ist, wird es gesättigt, bevor dies bei dem Hauptkern 192 der Fall ist. Die als eine Funktion des Lastzustands variierende Permeabilität des Elements 182 dient daher als ein permeabilitätsvariierendes Element. Das Element 186 erfüllt eine ähnliche Funktion. Die erste Spule 180 weist einen seitlichen Spalt 188 auf, der annähernd senkrecht zu einem magnetischen Flussweg Φ''' ausgerichtet ist. Die zweite Spule 184 weist einen geneigten Spalt 190 auf. Die erste Spule 180 weist einen ersten Kern 192 mit einem Fenster 193 und einer ersten Wicklung 194 auf. Die Formen, Typen und Bauweisen des Spulenkerns 192 sowie der anderen hier beschriebenen Spulenkerne können je nach Anwendung variieren. Die erste Wicklung 194 ist um ein erstes Element 196 des ersten Kerns 192 gewickelt. Der seitliche Spalt 188 erstreckt sich durch ein zweites Element 198, welches gegenüberliegend zu dem ersten Element 196 angeordnet ist. Der magnetische Flussweg Φ''' folgt den Elementen 196, 198 und 200 des ersten Kerns 192 und wird von diesen definiert.
Die zweite Spule 184 gleicht der ersten Spule 180. Statt jedoch einen senkrecht ausgerichteten Spalt aufzuweisen, weist die zweite Spule 184 einen diagonal ausgerichteten oder geneigten Spalt 190 auf. Der geneigte Spalt 190 befindet sich in einer nichtsenkrechten Anordnung gegenüber dem durch die zweite Spule 184 verlaufenden magnetischen Flussweg Φ^IV. Die zweite Spule 184 verfügt über einen zweiten Kern 202 mit einem zweiten Fenster 203 und einer zweiten Wicklung 204. Die zweite Wicklung 204 ist um ein Kernelement 206 gewickelt, das gegenüberliegend zu dem geneigten Spalt 190 angeordnet ist. Überdies versteht es sich, dass die Spalte beliebige Begrenzungen haben können.
In den Spalten 188 und 190 sind Einsätze bzw. die permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 angeordnet. Die Einsatzspalte 188 und 190 können sich zwischen den permeabilitätsvariierenden Elementen 182 und 186 sowie den Kernen 192 und 202 befinden. Die Einsatzspalte 188 und 190 können Fertigungstoleranzen unterliegen. Wie ersichtlich, können die Permeabilitätselemente 182 und 186 die Spalte 188 und 190 vollständig oder teilweise ausfüllen. Wie ebenfalls dargestellt, bestehen zwischen den permeabilitätsvariierenden Elementen 182 und 186 und den Elementen 198 und 208 enge Spalte 191 und 195 mit Spaltlängen g₉ bzw. g₁₀. Die permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 bestehen aus einem Material oder einer Kombination von Materialien, die eine hohe Permeabilität bei niedriger Last und eine geringe magnetische Sättigungsflussdichte aufweisen. Die permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 können aus laminiertem Stahl, Eisenpulver, Ferrit oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 können mit den Kernen 192 und 202 einstückig ausgebildet sein oder an diese angeklebt (bonded, adhered), angeschweißt, angeheftet (fastened) oder mittels anderer dem Fachmann bekannter Verfahren daran befestigt sein. Die effektive Gesamtpermeabilität der Kerne 192 und 202 ist bei niedrigem Strom, ebenso wie die Induktivität, hoch. Bei hohem Strom werden einige oder alle der permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 gesättigt und weisen so eine geringe Permeabilität auf, was zu einer Reduktion der entsprechenden Gesamtpermeabilität der Kerne 192 und 202 führt. Die Gesamtpermeabilität bei Volllast ist abstimmbar. Je nach der Geometrie der permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186 können die Kerne 192 und 202, einschließlich der permeabilitätsvariierenden Elemente 182 und 186, sowohl bei Niedriglast als auch bei Hochlast die gleiche Induktivität aufweisen.
Die unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen 12-14 dargestellten Ausführungsformen sind Anschauungsbeispiele von Kernen mit Parallelstruktur, wie sie ähnlich unter Bezug auf 8 beschrieben wurden. Wie in den 12-14 dargestellt, wurden aus den dort gezeigten Kernen Teile "herausgeschnitten" ("cut-out"). Dadurch wird der an den entsprechenden Stellen befindliche magnetische Fluss gezwungen, sich in den verbleibenden engen Kernabschnitten zu konzentrieren. Bei hohem Strom werden die engen Kernabschnitte zuerst gesättigt und weisen dann eine reduzierte effektive Permeabilität auf.
In 12 ist eine Seitenansicht eines Spulenkerns 220 mit Elementrandspalten 222 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Spulenkern 220 verfügt über Elementrandspalte 222, die sich, wie ersichtlich, seitlich über die Kernelemente 224 erstrecken, senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses Φ^V. Der Spalt kann mit permeabilitätsvariierenden oder anderen geeigneten Materialien gefüllt sein. Die engen Kernelementabschnitte 226, die zwischen seitlich benachbarten Randspalten, wie z.B. den 228 und 230 vorhanden sind, werden als Brücken bezeichnet. Wie dargestellt, kann die Breite der Brücken 226 variieren. Die Randspalte 222 können sich auch in andere Richtungen erstrecken und können sich in jedem beliebigen der Kernelemente 224 und 232 befinden. Selbstverständlich können die Randspalte 222 in ihrer Breite, Länge und Ausrichtung variieren und zahlreiche verschiedene Begrenzungen und Konfigurationen aufweisen. Die Randspalte 222 können nichtsenkrecht oder diagonal zur Richtung des magnetischen Flussfließens angeordnet sein.
13 zeigt eine Seitenansicht eines Spulenkerns 240 mit rechteckförmigen internen Elementspalten 242 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, erstrecken sich die internen Elementspalte 242 ebenfalls seitlich über die Kernelemente 244, senkrecht zum magnetischen Fluss Φ^VI. Die internen Elementspalte 242 erstrecken sich teilweise quer über die Kernelemente 244 und weisen zu beiden Seiten jeweils enge Kernelementträgerabschnitte 246 auf. Die Anzahl, Breite, Länge, Größe, Form, Ausrichtung und Anordnung der internen Elementspalte 242 können je nach Anwendung variieren, und sie können mit permeabilitätsvariierenden oder anderen geeigneten Materialien gefüllt sein. Die in den 12 und 13 gezeigte Richtung der magnetischen Durchflutung ist zu Beispielzwecken gezeigt und kann je nach Anwendung verschieden sein. In 14 ist ein weiteres Beispiel für einen internen Elementspalt dargestellt.
14 zeigt eine Seitenansicht eines Spulenkerns 250 mit hexagonalförmigen internen Elementspalten 252 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Breite und Länge der Spalte 252 können variieren, und sie können mit permeabilitätsvariierenden oder anderen geeigneten Materialien gefüllt sein. Auch hier handelt es sich nur um ein Beispiel; es gibt eine unbegrenzte Anzahl anderer Anordnungen und Konfigurationen.
Die vorliegende Erfindung stellt Spulen zur Verfügung, die von der gleichen Größe sein können wie nach dem Stand der Technik bekannte Spulen, die jedoch eine verbesserte Induktivität bei Niedriglast und dabei eine gleiche Induktivität sowie gleiche oder größere Sättigungsprävention bei Hochlast aufweisen.

Claims

Spule mit: einem Kern (140, 150. 160, 170, 192, 202) der über wenigstens ein Element mit mehreren Materialbereichen (142, 154, 164, 174) verfügt, wobei den Materialbereichen verschiedene Sättigungsflussdichten entsprechen; und einer Wicklung (194, 204), die an das wenigstens eine Element gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, in dem Kern magnetischen Fluss zu generieren.
Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (192, 202) wenigstens ein Fenster (193, 203) aufweist.
Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Materialbereiche (154) in Reihen angeordnet sind.
Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Materialbereiche (154): ein erstes Kernelement (196, 206) und ein zweites Kernelement (182, 186) aufweisen, das in Reihe mit dem ersten Kernelement gekoppelt ist und über eine andere Sättigungsflussdichte sowie eine andere Permeabilität als dieses vertilgt.
Spule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kernelement (182) relativ und senkrecht zu einem magnetischen Flussweg durch das erste Kernelement (196) ausgerichtet ist.
Spule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kernelement (186) relativ und nichtsenkrecht zu einem magnetischen Flussweg durch das erste Kernelement (206) ausgerichtet ist.
Spule nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mehreren Materialbereiche in einer Parallelstruktur (162) befinden.
Spule nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (220, 244) über ein Kernelement (224) verfügt, das wenigstens einen Spalt (222, 242) aufweist, wobei sich der wenigstens eine Spalt nur teilweise über das Kernelement erstreckt.
Spule nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mehreren Materialbereiche (174) in einer Reihen- und Parallelanordnung befinden.
Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Materialbereiche beliebige Begrenzungen aufweisen.
Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mehreren Materialbereiche: einen ersten Materialbereich mit einer ersten Sättigungsflussdichte und einer ersten Permeabilität aufweisen; and einen zweiten Materialbereich mit einer zweiten Sättigungsflussdichte und einer zweiten Permeabilität aufweisen.
Spule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sättigungsflussdichte größer ist als die zweite Sättigungsflussdichte.
Spule mit: einem Kern (192, 202), der eine erste Sättigungsflussdichte aufweist und über wenigstens ein Element (196, 206) mit wenigstens einem Spalt (188, 190) verfügt; wenigstens einem permeabilitätsvariierenden Element (182, 186) das in dem wenigstens einen Spalt angeordnet ist und eine zweite Sättigungsflussdichte aufweist, die kleiner ist als die erste Sättigungsflussdichte; und einer Wicklung (194, 204), die an das wenigstens eine Element (196, 206) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, magnetischen Fluss in dem Kern zu generieren.
Spule nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Spalt (188, 190) zwischen dem Kern und dem wenigstens einen permeabilitätsvariierenden Element (182, 186) angeordnet ist.
Spule nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern mehrere Spalte und mehrere permeabilitätsvariierende Elemente aufweist, die in den mehreren Spalten angeordnet sind.
Spule nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine permeabilitätsvariierende Element (182) relativ und senkrecht zu einem magnetischen Flusspfad durch den Kern (192) ausgerichtet ist.
Spule nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine permeabilitätsvariierende Element (186) relativ und nichtsenkrecht zu einem magnetischen Flusspfad durch den Kern (202) ausgerichtet ist.
Elektronische Schaltung (60) mit: wenigstens einem Eingangsanschluss (100); wenigstens einer Spule (L), die an den wenigstens einen Eingangsanschluss (100) gekoppelt ist und; einen Kern aufweist, der wenigstens ein Element aufweist, das über mehrere Materialbereiche verfügt, wobei die Materialbereiche mehrere zugeordnete Permeabilitäten und mehrere zugeordnete Sättigungsflussdichten aufweisen; und einer Wicklung, die an das wenigstens eine Element gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, in dem Kern einen magnetischen Fluss zu generieren; und wenigstens einem Ausgangsanschluss (102), der an die Spule (L) gekoppelt ist aus dieser Strom empfängt.
Spule (L) zum Einsatz in einer elektronischen Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass deren mehrere Materialbereiche: einen ersten Materialbereich aufweisen, der über eine erste Permeabilität und eine erste Sättigungsflussdichte verfügt, und einen zweiten Materialbereich aufweisen, die über eine zweite Permeabilität und eine zweite Sättigungsflussdichte verfügt, die geringer ist als die erste Sättigungsflussdichte.
Spule (L) zum Einsatz in einer elektronischen Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass einer der mehreren Materialbereiche der Spule eine magnetische Durchflutung einer bestimmten Größe in dem Kern während eines ersten Zustands ermöglicht, und dass dieser Materialbereich die Größe der magnetischen Durchflutung in dem Kern während eines zweiten Zustands reduziert.