DE102009040157B4

DE102009040157B4 - DC-DC-Wandler für eine Brennstoffzellenanwendung unter Verwendung eines hybriden Induktivitätenkernmaterials

Info

Publication number: DE102009040157B4
Application number: DE102009040157A
Authority: DE
Inventors: Stephen Raiser; John T. Hall
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2029-09-05
Also published as: CN101685699B; DE102009040157A1; US7830236B2; US20100060404A1; CN101685699A

Abstract

Induktivität, die mehrere Kernstücke umfasst, wobei die Kernstücke erste und zweite Kernendstücke (52, 54), die voneinander beabstandet sind, und mehrere Kernmittelblockstücke (56, 58, 60, 62) umfassen, die zwischen den ersten und zweiten Endstücken (52, 54) angeordnet sind und mehrere Spalte (64, 66, 68) an einer Mitte der Induktivität bereitstellen, wobei die ersten und zweiten Kernendstücke (52, 54) aus einer amorphen Legierung gefertigt sind und die mehreren Kernmittelblockstücke (56, 58, 60, 62) gestanzte Metallbleche sind, die eine Verbundstruktur bilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Induktivität, die mehrere Kernmittelstücke umfasst, die mehrere Spalte bereitstellen, und insbesondere eine Induktivität, die Kernendstücke und mehrere Kernmittelstücke, die mehrere Spalte bereitstellen, umfasst, wobei die Kernendstücke aus einer amorphen Legierung gefertigt sind, um gute magnetische Eigenschaften bereitzustellen, und die Kernmittelstücke eine Stanzblechverbundstruktur sind, um leichte Herstellbarkeit bereitzustellen.
2. Erörterung der zugehörigen Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Kraftstoff, weil er sauber ist und zur effizienten Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Einrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen wandern durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurchwandern und werden folglich durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie an die Kathode gesandt werden.
Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC) sind eine beliebte Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, etwa eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein aufgeteilte Katalysatorpartikel, üblicherweise Platin (Pt), das an Kohlenstoffpartikeln gelagert ist und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran angelagert. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ kostspielig und benötigen gewisse Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die Sollleistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfangt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Kompressor durch den Stapel gedrückt wird. Der Sauerstoff wird von dem Stapel nicht vollständig verbraucht und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfangt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe bipolarer Platten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind.
Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasströmungskanäle sind an der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es dem Anodenreaktantengas ermöglichen, zu der jeweiligen MEA zu strömen. Kathodengasströmungskanäle sind an der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es dem Kathodenreaktantengas ermöglichen, zu der jeweiligen MEA zu strömen. Eine Endplatte enthält Anodengasströmungskanäle und die andere Endplatte enthält Kathodengasströmungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie etwa Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus.
Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine zusätzliche Leistungsquelle oder eine wiederaufladbare elektrische Energiespeichereinrichtung (RESS) zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel verwenden, wie etwa eine Hochspannungs-DC-Batterie, einen Superkondensator oder einen Ultrakondensator. Das RESS liefert zusätzliche Leistung für die verschiedenen Fahrzeughilfslasten, für den Systemstart und bei Hochleistungsanforderungen, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel liefert durch eine DC-Hochspannungsbusleitung Leistung für den Fahrzeugbetrieb an einen elektrischen Antriebsmotor. Das RESS liefert zusätzliche Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten, wenn zusätzliche Leistung über das hinaus benötigt wird, was der Stapel liefern kann, wie etwa bei einer starken Beschleunigung. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel 70 kW Leistung liefern. Eine Fahrzeugbeschleunigung kann jedoch 100 kW Leistung benötigen. Der Brennstoffzellenstapel wird verwendet, um das RESS zu denjenigen Zeiten aufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, die Systemleistungsanforderung zu liefern. Die von dem Antriebsmotor während eines regenerativen Bremsens verfügbare Generatorleistung wird ebenfalls zum Wiederaufladen des RESS verwendet.
Bei dem vorstehend erörterten Hybridfahrzeug wird manchmal ein DC/DC-Aufwärtswandler verwendet, um die niedrigere Brennstoffzellenstapelspannung an die höhere RESS-Spannung anzugleichen. DC/DC-Wandler verwenden oft ein mehrphasiges Feld von Induktivitäten, welche die Aufgabe des Erhöhens der DC-Spannung bereitstellen. Eine typische Induktivität in dem Induktiviätenfeld umfasst einen magnetischen Kern, wie etwa einen Eisenkern, wobei ein Spalt zwischen Kernstücken bereitgestellt ist. Isolierte Metallwicklungen sind als eine Spule um den Kern herumgewickelt und ein sich durch die Wicklungen hindurch ausbreitender Strom erzeugt einen Magnetfluss in dem Kern und dem Spalt. Es wird ein geeignetes Schalten bereitgestellt, um die an die Wicklungen angelegte Spannung so zu schalten, dass die Magnetflussänderung das Spannungspotential am Ausgang des Wandlers erhöht.
In der Industrie wurden Anstrengungen unternommen, um die Größe, das Gewicht und die Kosten von DC/DC-Wandlern in Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge zu verringern und deren Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad zu erhöhen.
In der WO 2007/091388 A1 ist eine Induktivität mit einem Kern aus magnetischem Material offenbart, der aus einem Wicklungsabschnitt, um den eine Wicklung gewickelt ist, und einem Nicht-Wicklungsabschnitt besteht, um den keine Wicklung gewickelt ist. Die Querschnittsfläche des Nicht-Wicklungsabschnitts ist kleiner ausgeführt als die Querschnittsfläche des Wicklungsabschnitts.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Induktivität offenbart, die Kernendstücke und mehrere Kernmittelblockstücke, welche mehrere Spalte definieren, zwischen den Kernendstücken umfasst. Die Kernendstücke sind beispielsweise aus einer amorphen Legierung gefertigt, um gute magnetische Eigenschaften bereitzustellen, und die Kernmittelstücke bestehen zum Beispiel aus gestanzten elektrischen Stahlblechen, die eine Verbundstruktur bilden, um eine leichte Herstellbarkeit bereitzustellen. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform bestehen die Kernendstücke aus einer amorphen Eisenlegierung und die Kernmittelstücke bestehen aus gestanztem Siliziumeisen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen DC/DC-Wandler mit einem Induktivitätenfeld gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenkerns, der U-förmige Induktivitätenstücke umfasst, die dazwischen einen Spalt definieren;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenkerns, der Induktivitätenmittelstücke umfasst, die mehrere Spalte definieren;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds, das drei beabstandete Induktivitäten umfasst;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das drei Induktivitäten umfasst, die gemeinsame Kernstücke und einen Flusspfad gemeinsam nutzen; und
6 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das drei Induktivitäten umfasst, die gemeinsam genutzte Kernstücke und einen Flusspfad aufweisen und mehrere Kernmittelstücke umfassen, die mehrere Kernspalte definieren.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Induktivität gerichtet ist, die aus einer amorphen Legierung gefertigte Kernendstücke und aus gestanzten Metallblechen gebildete Kernmittelstücke umfasst, die mehrere Spalte bereitstellen, ist rein beispielhafter Natur und ist keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Die Induktivität der Erfindung weist zum Beispiel eine spezielle Anwendung für eine Induktivität in einem Induktivitätenfeld für einen DC/DC-Aufwärtswandler in einem Brennstoffzellensystem auf. Die Induktivität der Erfindung kann jedoch eine Anwendung für andere Systeme aufweisen, wie der Fachmann feststellt.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellensystemstapel 12 und ein wiederaufladbares elektrisches Energiesystem (RESS) 14 umfasst, die beide mit Hochspannungsbusleitungen 16a und 16b elektrisch gekoppelt sind. Das RESS 14 kann eine beliebige geeignete DC-Leistungsquelle für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie etwa eine Batterie oder ein Ultrakondensator (auch als ein Superkondensator bezeichnet) usw. Verschiedene elektrische Komponenten sind mit den Hochspannungsbusleitungen 16a und 16b elektrisch gekoppelt, wie etwa ein elektrischer Antriebsmotor 22, der das Fahrzeug antreibt, und andere Fahrzeug- und Systemlasten 24, wie etwa ein kathodenseitiger Luftkompressor.
Es ist ein vereinfachter DC/DC-Wandler 26 bereitgestellt, um die Brennstoffzellenstapelspannung auf die höhere Spannung der Busleitungen 16a und 16b zu erhöhen. Der DC/DC-Wandler 26 umfasst ein Induktivitätenfeld 28 und ein gesteuertes Schaltnetzwerk 30, wobei das Schaltnetzwerk 30 Induktivitäten 38 in dem Induktivitätenfeld 28 von Hochspannungsmasse auf Hochspannungsausgang schaltet, um die Brennstoffzellenstapelspannung auf eine Weise zu erhöhen, die von Fachleuten wohlverstanden wird. Dieses Umsetzungsverfahren ist allgemein als Aufwärtswandlung bekannt. Aufwärtswandler können unter Verwendung einer einzigen Induktivität oder durch Verwendung mehrerer zeitversetzt schaltender Induktivitäten in parallelen Erhöhungsstufen, um die Schaltrestwelligkeitseffekte zu glätten, aufgebaut sein. Der DC/DC-Wandler 26 stellt einen dreiphasigen Aufwärtswandlerentwurf für diesen Zweck bereit.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Kerns 40 einer Induktivität für einen DC/DC-Wandler des vorstehend erörterten Typs. Der Kern 40 umfasst ein erstes U-förmiges Kernstück 42 und ein zweites U-förmiges Kernstück 44, die voneinander beabstandet sind, um dazwischen einen Spalt 46 zu definieren. Nachstehend erörterte Leiterspulen sind um die Schenkel der U-förmigen Kernstücke 42 und 44 herumgewickelt, und wenn ein Strom durch die Spulen fließt wird ein Magnetfluss in dem Kern 40 und dem Spalt 46 erzeugt, der die Energie für die Spannungsumwandlung bereitstellt. Herkömmliche Kernstücke für Induktivitäten dieses Typs sind gestanzte Bleche aus einem magnetischen Material, wie etwa Eisen, die aufeinander geschichtet sind, um die gewünschte Kerndicke bereitzustellen.
Da der Spalt 46 den Betrag der magnetischen Energie definiert, die in der Induktivität gespeichert wird, ist es oft wünschenswert, den Spalt 46 breit zu machen. Wenn jedoch die Breite des Spalts 46 zunimmt, nimmt ein Randeinschnürungsfluss an den Ecken der U-förmigen Stücke 42 und 44 zu, wo sich die Magnetfeldlinien von dem Kern 40 weg erstrecken. Der Randeinschnürungsfluss erzeugt Wirbelstromverluste in dem Kernmaterial und den Wicklungen und trägt zu einem Wirkungsgradverlust des Systems bei.
Um den Nachteil des Randeinschnürungsflusses zu überwinden und dennoch einen wesentlichen Spaltraum für Hochleistungsanwendungen bereitzustellen, ist es in der Technik bekannt, mehr als einen Spalt in einem Induktivitätenkern bereitzustellen. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenkerns 50, der U-förmige Endstücke 52 und 54 und vier Mittelblockstücke 56, 58, 60 und 62 umfasst, die dazwischen positioniert sind. Die U-förmigen Stücke 52 und 54 und die Mittelstücke 56, 58, 60 und 62 sind beabstandet, um drei schmale Spalte 64, 66 und 68 an der Mitte des Kerns 50 zu definieren, wie gezeigt ist. Daher kann die gesamte Spaltgröße erhöht werden, um eine Erhöhung der gespeicherten magnetischen Energie ohne den nachteiligen Randeinschnürungsfluss, der als eine Folge breiter Spalte auftrat, bereitzustellen.
Herkömmliche Kerne für Induktivitäten dieses Typs sind typischerweise Verbundstücke aus Eisen oder einem anderen ferromagnetischen Material, die gute Magnetfeldeigenschaften bereitstellen. Um die Verluste in dem Kernmaterial zu verringern, ist es in der Technik bekannt, eine amorphe Materiallegierung zu verwenden, die gegenüber normalem Eisen überlegene magnetische Eigenschaften aufweist. Aufgrund der Sprödigkeit des Materials kann die amorphe Legierung jedoch nicht auf wirtschaftliche Weise unter Verwendung von kostengünstigen Standardherstellungs- und Segmentschneideprozessen in einer so kleinen Größe, wie sie die Stücke 56, 58, 60 und 62 zur Verwendung für eine Brennstoffzellensystem-Erhöhungswandleranwendung benötigen werden, hergestellt werden.
In der Technik sind verschiedene amorphe Legierungen für magnetische Kerne in einer Induktivität bekannt. Diese amorphen Legierungen umfassen Legierungen, die aus Eisen, Nickel, Kobalt usw. bestehen. Das Kernmaterial muss auf eine hochgradig kontrollierte Weise hergestellt werden, um eine amorphe Struktur, d. h. nichtkristallin, zu erzeugen, welche die gewünschten magnetischen Eigenschaften bereitstellt. Bei einer bekannten Technik wird eine geschmolzene Legierung durch eine Düse auf ein rotierendes gekühltes Kupferrad gegossen, was bewirkt, dass sich eine dünne Schicht der Legierung unmittelbar verfestigt und sich von dem Rad in einem dünnen Endlosband abschält. Der Verfestigungsprozess ist so schnell, dass die Legierung keine Kristalle ausbilden kann. Diese Bänder weisen exzellente magnetische Eigenschaften auf, aber da sie dünn sind und aufgrund ihrer amorphen Struktur eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sind Wirbelstromverluste in dem Material extrem klein. Daher können diese Materialien bei Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und hoher Frequenz verwendet werden, bei denen sich normale Eisenkernverbünde wegen der Verluste überhitzen würden. Die Bänder werden auf eine Spindel mit Klebstoffbahnen dazwischen aufgewickelt, um einen festen O-förmigen Kern zu erhalten. Der O-förmige Kern wird typischerweise in der Mitte entzwei geschnitten, um die zwei U-förmigen Endstücke zu erhalten, die hier erörtert sind.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Hybridkern für den Kern 50 vor, der sowohl die amorphe Legierung für die U-förmigen Stücke 52 und 54 als auch die herkömmlichen gestanzten Metallblechkerne für die Mittelstücke 56, 58, 60 und 62 umfasst. Somit sind die Mittelstücke 56, 58, 60 und 62 Stanzstücke, die durch bekannte Herstellungsprozesse, die für die Größe der Abschnitte 56, 58, 60 und 62 geeignet sind, aufeinander geschichtet wurden, und sind mit den amorphen Legierungsstücken 52 und 54 kombiniert, welche den magnetischen Flusspfad abschließen. In der Technik sind verschiedene Materialien bekannt, die für das Kernmaterial einer Induktivität geeignet sind und für die bekannten Stanzprozesse von Blechmaterialen geeignet sind, die zusammen in Verbünde geformt werden. Zum Beispiel können Siliziumeisen-Materialien verwendet werden, wobei das Eisen die gewünschten magnetischen Eigenschaften bereitstellt und das Silizium die Leistungsfähigkeit erhöht, indem allgemein Wirbelstromverluste verringert werden.
Die Verluste des Kerns 50 werden durch den Grossteil des Materials bestimmt, der immer noch das amorphe Metall ist, während die kleineren spaltformenden Stücke relativ hohe spezifische Verluste aufweisen, aber bei einem sehr kleinen Volumen, sodass sie zu den Gesamtverlusten nicht wesentlich beitragen. Die magnetischen Eigenschaften, speziell die Sättigungsflussdichte, von amorphem Eisen und normalem gestanzten Eisenblech liegen genügend nahe beieinander, sodass die Kernleistungsfähigkeit durch keines der Materialien eingeschränkt ist. Ein Kombinieren der Vorteile des amorphen Metalls mit den Vorteilen der normalen gestanzten Blechkerne ermöglicht den Bau kleinerer Leistungswandlungsinduktivitäten mit niedrigeren Kosten, kleinerer Größe, kleinerem Gewicht und kleineren magnetischen Verlusten.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds 70 des Typs, der in der Technik bekannt ist, das zur Verwendung als das Induktivitätenfeld 28 in dem System 10 geeignet ist. Das Induktivitätenfeld 70 umfasst eine Gehäusestruktur 72, die Montagelöcher 74 zur Montage des Felds 70 an einer geeigneten Stelle umfasst. Das Induktivitätenfeld 70 weist drei nahe beieinander liegende Induktivitäten 76 auf, die jeweils einen magnetischen Kern 40 mit U-förmigen Endstücken 78 und 80, die dazwischen einen Spalt 82 definieren, umfassen. Jede Induktivität 76 umfasst zwei Wicklungen 84 und 86, die wie gezeigt um Schenkelabschnitte der Endstücke 78 und 80 herum und durch eine Mittelöffnung 88 zwischen den Endstücken 78 und 80 hindurch gewickelt sind. Die Spulen 84 und 86 sind elektrisch miteinander gekoppelt, entweder seriell oder parallel. In dem Feld 70 gibt es drei Induktivitäten 76, um einen stetigen Übergang für die Spannungsumwandlung bereitzustellen. Insbesondere werden die Induktivitäten 76 unter Verwendung des Schaltnetzwerks 30 mit einer definierten Phasenbeziehung der Schaltung zugeschaltet und aus der Schaltung weggeschaltet, sodass die Spannungsumwandlung ein stetiger Übergang zum Schalten der Spulen 84 und 86 ist.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds 100, das eine Gehäusestruktur 102 und Montagelöcher 104 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Das Induktivitätenfeld 100 umfasst drei Induktivitäten 106, 108 und 110. Obwohl für diesen Entwurf drei Induktivitäten in dem Induktivitätenfeld 100 bereitgestellt sind, ist dies nur beispielhaft als ein Kompromiss bei der Komplexität gegenüber Glättungsvorteilen bei höheren Induktivitätenphasenzahlen. Dieser Teil der Erfindung kann für ein Induktivitätenfeld bereitgestellt werden, das zwei oder mehr Induktivitäten umfasst. Die Induktivität 106 umfasst Spulen 112 und 114, die Induktivität 108 umfasst Spulen 116 und 118 und die Induktivität 110 umfasst Spulen 120 und 122. Erfindungsgemäß umfassen benachbarte Induktivitäten 106, 108 oder 110 ein gemeinsam genutztes Kernstück. Insbesondere nutzen die Induktivitäten 106 und 108 ein Kernstück 124 gemeinsam und die Induktivitäten 108 und 110 nutzen ein Kernstück 126 gemeinsam. Die Induktivität 106 umfasst ein U-förmiges Kernendstück 128 gegenüber dem Kernstück 124 und die Induktivität 110 umfasst ein U-förmiges Endstück 130 gegenüber dem Kernstück 126. Ein Spalt 132 ist zwischen den Kernstücken 124 und 128 für die Induktivität 106 bereitgestellt, ein Spalt 134 ist zwischen den Kernstücken 124 und 126 für die Induktivität 108 bereitgestellt und ein Spalt 136 ist zwischen den Kernstücken 126 und 130 für die Induktivität 110 bereitgestellt.
Wie ersichtlich ist, wandern Magnetflusslinien 90 von den Induktivitäten 106 und 108 in dem Kernstück 124 in entgegengesetzte Richtungen, und Magnetflusslinien 90 der Induktivitäten 108 und 110 wandern in dem Kernstück 126 in entgegengesetzte Richtungen. Wenn die Stärke der Flusslinien 90 daher in Ansprechen auf die Schaltphasenbeziehung zwischen den Induktivitäten zunimmt und abnimmt, gibt es zumindest eine teilweise Auslöschung der Flusslinien 90, die sich in dem Teilsegment mit gemeinsamem Fluss in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten.
Da die Induktivitäten 106 und 108 ein Kernstück gemeinsam nutzen und die Induktivitäten 108 und 110 ein Kernstück gemeinsam nutzen, kann die Menge an in dem Feld 100 verwendeten Kernmaterial gegenüber der Menge an Kernmaterial verringert werden, die in dem Feld 70 für ein Induktivitätenfeld der gleichen Größe verwendet wird. Daher kann die Größe und das Gewicht des Induktivitätenfelds 100 gegenüber dem Induktivitätenfeld 70 verringert werden. Zum Beispiel kann die Länge des Felds 100 für eine spezielle Aufwärtswandleranwendung etwa 215 mm betragen, was eine Verbesserung von 30% gegenüber der Länge des Feldes 70 darstellt.
Zudem können durch Kombinieren der Kernstücke wie hier beschrieben die elektrischen Verluste des Induktivitätenfelds 100 im Vergleich zu den elektrischen Verlusten des Induktivitätenfelds 70 verringert werden.
Die Kernstücke 124 und 126 weisen einen eingekerbten Abschnitt 138 an ihrer Mitte auf halbem Weg zwischen den Spalten in den Induktivitäten auf, wie er etwa von zwei Rücken an Rücken angeordneten U-förmigen Elementen gebildet wird. Da sich der Fluss zumindest teilweise auslöscht, können die gemeinsamen Kernstücke sogar derart gefertigt werden, dass sie im Querschnitt kleiner sind als es für ein einzelnes Kernstück nötig wäre. Bei einer alternativen Ausführungsform können diese eingekerbten Abschnitte wesentlich kleiner sein, um die Größe der Kernstücke 124 und 126 und damit die Kosten und das Gewicht des Felds 100 weiter zu verringern.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Induktivitätenfelds 140, das die Vorteile des Entwurfs des Kerns 50, der in 3 gezeigt ist, und des Entwurfs der Kerne in dem Induktivitätenfeld 100, das in 5 gezeigt ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Insbesondere umfasst das Induktivitätenfeld 140 drei Induktivitäten 142, 144 und 146. Die Induktivitäten 142 und 144 nutzen ein Kernstück 148 gemeinsam, das dem Kernstück 124 ähnelt, und die Induktivitäten 144 und 146 nutzen in Kernstück 150 gemeinsam, das dem Kernstück 126 ähnelt. Die Induktivität 142 umfasst ein Kernendstück 162 und die Induktivität 146 umfasst ein Kernendstück 164. Ferner umfasst die Induktivität 142 Kernmittelstücke 152, die drei Spalte 154 definieren, die Induktivität 144 umfasst Kernmittelstücke 156, die drei Spalte 158 definieren und die Induktivität 146 umfasst Kernmittelstücke 160, die drei Spalte 162 definieren. Wie vorstehend können die Kernstücke 148 und 150 eine amorphe Legierung sein und die Kernmittelstücke 152, 156 und 160 können Kernstücke aus gestanztem Metall sein, die einen Verbund bilden und eine leichte Herstellbarkeit ermöglichen.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen wird ein Fachmann leicht erkennen, dass verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen darin durchgeführt werden können, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Induktivität, die mehrere Kernstücke umfasst, wobei die Kernstücke erste und zweite Kernendstücke (52, 54), die voneinander beabstandet sind, und mehrere Kernmittelblockstücke (56, 58, 60, 62) umfassen, die zwischen den ersten und zweiten Endstücken (52, 54) angeordnet sind und mehrere Spalte (64, 66, 68) an einer Mitte der Induktivität bereitstellen, wobei die ersten und zweiten Kernendstücke (52, 54) aus einer amorphen Legierung gefertigt sind und die mehreren Kernmittelblockstücke (56, 58, 60, 62) gestanzte Metallbleche sind, die eine Verbundstruktur bilden.
Induktivität nach Anspruch 1, wobei die amorphe Legierung eine Eisenlegierung ist.
Induktivität nach Anspruch 1, wobei die Kernmittelstücke (56, 58, 60, 62) aus gestanztem Metall Kernstücke aus gestanztem Siliziumeisen sind.
Induktivität nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Kernendstücke (52, 54) U-förmige Kernendstücke sind, die eine Mittelöffnung definieren, durch welche Spulen gewickelt sind.
Induktivität nach Anspruch 1, wobei die Induktivität Teil eines Induktivitätenfelds (140) ist, das mehrere Induktivitäten (142, 144, 146) umfasst, wobei jede Induktivität (142, 144, 146) die Endstücke (148, 150, 162, 164) aus einer amorphen Legierung und die Kernmittelblockstücke (152, 156, 160) aus einem gestanzten Metall umfasst, die mehrere Spalte (154, 158, 162) definieren.
Induktivität nach Anspruch 5, wobei benachbarte Induktivitäten (142, 144; 144, 146) in dem Induktivitätenfeld (140) ein gemeinsames Kernstück (148; 150) und einen gemeinsamen Flusspfad gemeinsam nutzen.
Induktivität nach Anspruch 5, wobei das Induktivitätenfeld (140) drei Induktivitäten (142, 144, 146) umfasst.
Induktivität nach Anspruch 5, wobei das Induktivitätenfeld (140) Teil eines DC/DC-Aufwärtswandlers (26) ist.
Induktivität nach Anspruch 8, wobei der DC/DC-Aufwärtswandler (26) Teil eines Brennstoffzellensystems (10) ist und mit einem Brennstoffzellenstapel (12) elektrisch gekoppelt ist.
Induktivitätenfeld (140), das mehrere Induktivitäten (142, 144, 146) umfasst, wobei jede der Induktivitäten (142, 144, 146) in dem Induktivitätenfeld (140) mehrere Kernstücke umfasst, die einander gegenüberliegende Kernendstücke (162, 164) umfassen, die voneinander beabstandet sind, wobei benachbarte Induktivitäten (142, 144; 144, 146) ein gemeinsames Kernstück (148; 150) und einen gemeinsamen Flusspfad gemeinsam nutzen, wobei die mehreren Kernstücke ferner mehrere Kernmittelblockstücke (152, 156, 160) umfassen, die mehrere Spalte (154, 158, 162) an der Mitte jeder Induktivität (142, 144, 146) definieren, wobei die Kernendstücke (162, 164) aus einer amorphen Legierung gefertigt sind und die Kernmittelblockstücke (152, 156, 160) und die gemeinsamen Kernstücke (148, 150) gestanzte Metallbleche sind, die als Verbund ausgebildet sind.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 10, wobei die gemeinsam genutzten Kernstücke (148, 150) als Rücken an Rücken angeordnete U-förmige Kernstücke mit einer eingekerbten Mittelregion ausgestaltet sind.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 10, wobei die amorphe Legierung eine Eisenlegierung ist.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 10, wobei die Kernmittelstücke (152, 156, 160) aus gestanztem Metall und die gemeinsamen Kernstücke (148, 150) Kernstücke aus gestanztem Siliziumeisen sind.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 10, wobei die mehreren Induktivitäten (142, 144, 146) drei Induktivitäten umfassen.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 10, wobei das Induktivitätenfeld (140) Teil eines DC/DC-Aufwärtswandlers (26) ist.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 15, wobei der DC/DC-Aufwärtswandler (26) Teil eines Brennstoffzellensystems (10) ist und mit einem Brennstoffzellenstapel (12) elektrisch gekoppelt ist.
Induktivitätenfeld (140) für einen DC/DC-Aufwärtswandler (26), wobei das Induktivitätenfeld (140) drei Induktivitäten (142, 144, 146) umfasst, wobei jede der Induktivitäten (142, 144, 146) mehrere Kernstücke umfasst, die einander gegenüberliegende Kernendstücke (162, 164) umfassen, die voneinander beabstandet sind, wobei benachbarte Induktivitäten (142, 144; 144, 146) ein gemeinsames Kernstück (148; 150) und einen gemeinsamen Flusspfad gemeinsam nutzen, wobei die gemeinsam genutzten Kernstücke (148, 150) als Rücken an Rücken angeordnete U-förmige Kernstücke mit einer eingekerbten Mittelregion ausgestaltet sind, wobei die mehreren Kernstücke ferner mehrere Mittelblockstücke (152, 156, 160) umfassen, die mehrere Spalte (154, 158, 162) an der Mitte jeder Induktivität (142, 144, 146) definieren, wobei die Kernendstücke (162, 164) aus einer amorphen Legierung bestehen und die Kernmittelblockstücke (152, 156, 160) und die gemeinsamen Kernstücke (148, 150) gestanzte Metallbleche sind.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 17, wobei die amorphe Legierung eine Eisenlegierung ist.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 17, wobei die Kernmittelstücke (152, 156, 160) aus gestanztem Metall und die gemeinsamen Kernstücke (148, 150) Kernstücke aus gestanztem Siliziumeisen sind.
Induktivitätenfeld (140) nach Anspruch 17, wobei der DC/DC-Aufwärtswandler (26) Teil eines Brennstoffzellensystems (10) ist und mit einem Brennstoffzellenstapel (12) elektrisch gekoppelt ist.