DE102010050828A1

DE102010050828A1 - Stromkompensierte Drossel mit erhöhter Streuinduktivität

Info

Publication number: DE102010050828A1
Application number: DE102010050828A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Karl; Herbert Maier
Original assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Current assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-03-08
Also published as: EP2614510B1; EP2614510A1; HK1185181A1; WO2012031742A1; US20130207762A1; CN103189940A

Abstract

Stromkompensierte Drosseln besitzen einen im Wesentlichen geschlossenen Kern, der von der Ringkerngestalt abweicht, so dass ein erhöhter Streufluss erreicht wird und gleichzeitig die weiteren Vorteile einer konventionellen Ringkerngeometrie erhalten bleiben. Insbesondere lassen sich die erfindungsgemäßen stromkompensierten Drosseln effizient durch Automatisierung herstellen, ohne dass nachgeordnete Prozessschritte zum Aufbringen von Nebenschlusskörpern erforderlich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein stromkompensierte Drosseln, die effizient für das Ausfiltern von Gleichtaktstörungen eingesetzt werden und die gleichzeitig eine moderate Unterdrückung von Gegentaktstörungen durch die Streuinduktivität ermöglichen.
Beim Betreiben elektronischer Geräte werden auch viele elektrische Störsignale erzeugt, die zum Teil abgestrahlt werden und zum Teil auch auf entsprechenden Leitungen vorhanden sind und den Betrieb anderer elektronischer Gruppen oder anderer Schaltungsbereiche des die Störung verursachenden elektronischen Gerätes empfindlich stören können. Beispielsweise sind insbesondere die Versorgungsleitungen elektronischer Baugruppen häufig mit Störsignalen beaufschlagt, die in den weiteren elektronischen Komponenten, etwa bei der Anpassung interner Versorgungsspannungen, etc., zur Erzeugung weiterer Störsignale führen können. Ferner kann das Vorhandensein von ausgeprägten Störsignalen in der Versorgungsleitung auch zu einer deutlichen Effizienzminderung in nachgeordneten Schaltungen, etwa in Schaltnetzteilen, elektrischen Antrieben, etc. führen. Häufig auftretende Störsignale sind etwa sogenannte Gleichtaktstörsignale, die auf Zuleitungen der Versorgungsspannung in nahezu identischer Weise auftreten. Derartige Gleichtaktstörsignale können effizient unter Verwendung von sogenannten stromkompensierten Drosseln reduziert werden, in denen zwei identisch gewickelte Wicklungen, d. h., für ein 2-Phasensystem, auf einem Kern aufgebracht und gegensinnig verschaltet sind. Durch diese Anordnung wird also in den jeweiligen Wicklungen durch den Nutzstrom nahezu kein Magnetfeld in dem gemeinsamen Kern hervorgerufen, da die gegensinnig vorgesehenen Wicklungen sich in ihrer Wirkung nahezu vollständig kompensieren. D. h., die in der Regel hoch gewählte Induktivität der stromkompensierten Drossel ist für das Nutzsignal nahezu unwirksam. Andererseits ergibt sich beim Auftreten einer Gleichtaktstörung eine additive Wirkung von beiden gegensinnig geschalteten Wicklungen, so dass in diesem Falle die gesamte Induktivität der stromkompensierten Drossel wirksam ist und damit eine effiziente Unterdrückung der Störsignale erreicht wird. Dabei können auch weitere Komponenten in Form von Kondensatoren, und dergleichen vorgesehen werden.
Derartige stromkompensierte Drosseln werden häufig auch in Signalleitungen eingesetzt, um dort ebenfalls in effizienter Weise Gleichtaktstörsignale zu unterdrücken. Für diesen Zweck wurde eine große Vielfalt an stromkompensierten Drosseln entwickelt, die eine effiziente Unterdrückung der Gleichtaktstörungen ermöglichen, ohne jedoch die für das Nutzsignal notwendige Bandbreite in unnötiger Weise zu beeinträchtigen. Insbesondere werden sehr effiziente stromkompensierte Drosseln auf der Grundlage von Ringkernen hergestellt, in denen die Wicklungen typischerweise in symmetrischer Weise auf den Ringkern aufgebracht werden, so dass ein sehr symmetrischer Aufbau im Zusammenwirken mit den günstigen Streueigenschaften des Ringkernes zu einer ausgeprägten Gleichtaktstörsignalunterdrückung führt. Bei der Herstellung derartiger stromkompensierter Drosseln unter Anwendung von Ringkernen werden typischerweise automatisierte Wicklungsverfahren angewendet, in denen der Ringkern häufig ohne Verwendung eines Spulenkörpers direkt mit einem entsprechend geeigneten Draht bewickelt wird, sofern die notwendigen Isolations- und Kriechstromstrecken eingehalten werden können.
In vielen Filteranwendungen ist jedoch eine möglichst effiziente Unterdrückung von Gleichtaktstörsignalen nicht der einzige Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt. Z. B. ist für viele Filteranwendungen eine größere Streuinduktivität, die letztlich einen Einfluss auf das Nutzsignal ausübt, in einem höheren Grade wünschenswert, um damit auch Gegentaktstörsignale, die dem Nutzsignal überlagert sind, zu einem gewissen Grade zu reduzieren. D. h., in derartigen Filteranwendungen wird generell ein Aufbau gewählt, in welchem ein erhöhter Grad an Streuinduktivität erreicht wird, so dass neben einer effizienten Unterdrückung der Gleichtaktstörsignale auch eine Unterdrückung der Gegentaktstörsignale möglich ist. Dazu werden beispielsweise zusätzliche Längsdrosseln oder in einigen bekannten Anwendungen E-Kerne mit möglichst vielen Windungen verwendet, die dadurch eine höhere Streuinduktivität im Vergleich zu Ringkernen besitzen, um somit sich dem gewünschten Verhalten im Hinblick auf eine moderat hohe Streuinduktivität anzunähern. In anderen Vorgehensweisen wird üblichen Kernen, etwa E-Kernen oder auch Ringkernen ein zusätzlicher Nebenschlusskörper an einer geeigneten Position hinzugefügt, so dass sich eine höhere Streuinduktivität ergibt. Beispielsweise kann bei einem geschlossenen Kern, etwa einem Ringkern, im Bereich zwischen den Wicklungen der Nebenschlusskörper in Form eines Magnetkerns mit spezifizierten Eigenschaften eingefügt werden, so dass sich in Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften eine höhere Streuinduktivität gezielt einstellen lässt. Das Vorsehen entsprechender Nebenschlusskörper, beispielsweise in Form von Stäben, erfordert jedoch weitere zusätzliche Fertigungsschritte, etwa das Aufkleben des Nebenschlusskörpers an einem vorgegebenen Kern nach dessen Bewicklung, und dergleichen, wodurch sich deutlich erhöhte Produktionskosten ergeben. Ferner können derartige zusätzliche Fertigungsschritte auch zu einer stärkeren Variabilität der resultierenden Eigenschaften der stromkompensierten Drosseln führen, da bereits minimale Abweichungen im Luftspalt zwischen dem eigentlichen Kern und dem Nebenschlusskörper einen großen Einfluss auf die erzielte Streuinduktivität und auf die Aussteuerbarkeit der stromkompensierten Drossel ausüben. Insbesondere für Ringkerngeometrien ergeben sich aufwendige zusätzliche Fertigungsschritte beim Anbringen eines Nebenschlusskörpers, da beispielsweise ein automatisiertes Bewickeln des Ringkörpers nicht mit der Anwesenheit eines Nebenschlusskörpers verträglich ist, so dass dieser erst in nachfolgenden Prozessschritten aufgebracht werden kann, oder die Drossel muss in aufwendiger Handarbeit gefertigt werden, was zu den zuvor genannten Einschränkungen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit führt.
Unter Berücksichtigung der zuvor angegebenen Sachlage ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, stromkompensierte Drosseln mit moderat hoher Streuinduktivität bei geringerer Variabilität der Bauteileigenschaften anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte Aufgabe gemäß einem Aspekt gelöst mittels einer stromkompensierten Drossel, die einen Kern mit einem ersten bogenförmigen Wicklungsbereich, einem zweiten bogenförmigen Wicklungsbereich und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsbereich angeordneten Streuinduktivitätsbereich aufweist. Der Streuinduktivitätsbereich verbindet den ersten Wicklungsbereich und den zweiten Wicklungsbereich, so dass damit eine Gesamtlänge des Kerns festgelegt ist. Ferner besitzt die stromkompensierte Drossel eine maximale Kernbreite, die kleiner ist als die Gesamtlänge des Kerns. Die stromkompensierte Drossel umfasst ferner eine erste Wicklung, die auf dem ersten bogenförmigen Wicklungsbereich aufgebracht ist und umfasst eine zweite Wicklung, die auf dem zweiten bogenförmigen Wicklungsbereich aufgebracht ist.
Generell wird durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau der stromkompensierten Drossel eine spezielle Geometrie insbesondere für 2-Phasensysteme vorgesehen, die eine genau einstellbare Streuinduktivität ermöglicht. Zu diesem Zweck besitzt der Kern, der zumindest in den Wicklungsbereichen der Gestalt eines Ringkerns mit dessen vorteilhaften Eigenschaften im Hinblick auf die Magnetfeldführung nachgebildet ist, einen Streuinduktivitätsbereich, der somit in entscheidender Weise die Gesamtlänge des magnetischen Kerns bestimmt. Andererseits ist die Geometrie des Kerns so festgelegt, dass eine maximale Breite kleiner ist als die Gesamtlänge des Kerns, so dass sich insgesamt eine „ovale” oder gestreckte Form ergibt, die somit innerhalb des Streuinduktivitätsbereichs zu einer erhöhten Streuinduktivität beiträgt. D. h., auf Grund der bogenförmigen Wicklungsbereiche wird in diesem Teil des Kernes ein sehr streuarmer Aufbau erreicht, so dass der wesentliche Beitrag zur Streuinduktivität in kontrollierter Weise innerhalb des Streuinduktivitätsbereichs stattfindet, der somit in gut reproduzierbarer Weise auf Grund der konstruktiven Eigenheiten des Kerns einstellbar ist.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass eine Gesamtlänge des Kerns als eine geometrische Abmessung des Kernmaterials zu verstehen ist, und sich von einer magnetischen Länge des Kerns unterscheidet. In der vorliegenden Anmeldung wird daher im Hinblick auf magnetische Eigenschaften etwa im Hinblick auf die Länge, stets von einer magnetischen Länge gesprochen, während sich die Angaben „Länge”, Gesamtlänge, und dergleichen, ohne einen weiteren Hinweis stets auf geometrische Abmessungen des Kernmaterials beziehen. In ähnlicher Weise ist eine Breite des Kerns als die maximale Abmessung von Außenkanten des Kernmaterials in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Kernes zu verstehen, während eine Innenbreite einen entsprechenden Abstand von Kernmaterialien in der Breitenrichtung an einer gewissen Position bezeichnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Streuinduktivitätsbereich zwischen dem ersten Wicklungsbereich und dem zweiten Wicklungsbereich eine gleichbleibende Breite auf. Für diesen Fall ergibt sich somit eine einfache geometrische Ausbildung, da sich in Verbindung mit den bogenförmigen Wicklungsbereichen eine „ovale” Bauform ergibt, wobei in dieser Ausführungsform der Streuinduktivitätsbereich als geradliniger Bereich, zumindest an der Außenkante, vorgesehen ist. Die einfache Geometrie des Kerns führt somit zu einer effizient steuerbaren Gesamtstreuinduktivität, die für viele Arten von stromkompensierten Drosseln effizient anpassbar ist, indem etwa der lineare Streuinduktivitätsbereich entsprechend in der Länge angepasst wird für ansonsten gleiche Parameter.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Breite des Streuinduktivitätsbereichs, also die durch die beiden Schenkel des Streuinduktivitätsbereichs definierte Breite, zumindest stellenweise zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsbereich kleiner als die maximale Kernbreite. Auf Grund dieser geometrischen Ausbildung des Streuinduktivitätsbereichs kann, etwa bei konstantem, oder auch kleinerem oder größerem Querschnitt des Kerns, eine Verengung und damit eine Annäherung sich gegenüberliegender Bereiche bzw. Schenkel des Streuinduktivitätsbereichs durch konstruktive Maßnahmen erfolgen, so dass damit die Größe der Streuinduktivität durch die Geometrie einstellbar ist, ohne dass etwa die Gesamtlänge des Kerns vergrößert werden muss. D. h. durch die konstruktiv eingestellte minimale Breite zwischen den sich gegenüberliegenden Teilen bzw. Schenkeln des Streuinduktivitätsbereichs kann die Streuinduktivität effizient vorgegeben werden, wobei dennoch ein relativ großer Abstand beibehalten wird, so dass effizient automatisierte Bewicklungsverfahren angewendet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Breite des Streuinduktivitätsbereichs mindestens zwei Positionen mit minimaler Breite auf. Auf diese Weise kann bei vorgegebenen Außenabmessungen die Streuinduktivität in sehr präziser Weise für unterschiedliche Arten von Drosseln vorgegeben werden, ohne dass damit die automatisierte Bewickelbarkeit beeinträchtigt wird. Des weiteren lässt sich durch eine entsprechende Gestaltung des Streuinduktivitätsbereichs auch eine effiziente Abgrenzung zu den Wicklungsbereichen erzielen, so dass gut definierte geometrische Wicklungslängen in den Wicklungsbereichen geschaffen werden, die somit zu einem verbesserten symmetrischen Aufbau der Drossel beitragen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kern aus bogenförmigen Abschnitten aufgebaut. Auf diese Weise können jegliche scharfe Kanten im Kernmaterial vermieden werden, die ansonsten zu einem nicht gut steuerbaren Streuinduktivitätsverhalten beitragen würden. Das Vorsehen der verschiedenen bogenförmigen Abschnitte, d. h. das Vermeiden von jeglichen Kanten, führt auch zu einem besseren Verhalten bei der maschinellen Herstellung der stromkompensierten Drossel, da die Gefahr von Materialabsplitterungen, und dergleichen, deutlich verringert ist.
In einer anschaulichen Ausführungsform ist eine minimale Innenbreite zwischen gegenüberliegenden Teilen bzw. Schenkeln des Streuinduktivitätsbereichs größer als ungefähr 50% einer maximalen Innenbreite des Kerns. Diese geometrische Ausgestaltung des Kerns ermöglicht einerseits eine gewünschte hohe Streuinduktivität durch die Reduzierung der Breite der gegenüberliegenden Teile des Streuinduktivitätsbereichs, wobei andererseits jedoch ein ausreichender Abstand im Inneren des Kernes bewahrt wird, so dass keine Störungen durch nachgeordnete Fertigungsschritte, etwa das automatisierte Bewickeln der Wicklungsbereiche, hervorgerufen werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die stromkompensierte Drossel einen Träger oder ein Gehäuse auf, das mittels Klemmung mit dem Kern verbunden ist. Beispielsweise lässt sich der Streuinduktivitätsbereichs, der keine Wicklungen trägt, effizient für diesen Zweck verwenden, indem beispielsweise Klemmhaken des Gehäuses in geeigneter Weise mit dem Kern in Eingriff gebracht werden. Vorzugsweise besitzen das Gehäuse und der Streuinduktivitätsbereich einander angepasste Formen, so dass eine entsprechende Klemmvorrichtung zuverlässig und reproduzierbar mit dem Kern in Eingriff gebracht werden kann Diese Klemmung ohne zusätzliche Verklebung oder Verguss trägt natürlich auch zur Schonung der Ressourcen und somit zum Umweltschutz mit bei.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der mittlere Zentrierbereich im Träger oder Gehäuse zum Ansaugen bei SMD-Ausführungen verwendet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch eine stromkompensierte Drossel, die einen aus bogenförmigen Abschnitten aufgebauten Kern aufweist. Im Kern sind in Längsrichtung des Kernes gegenüberliegende Wicklungsbereiche und ein in Längsrichtung zwischen den Wicklungsbereichen angeordneter Streuinduktivitätsbereich vorgesehen, wobei der Kern seine maximale Innenbreite außerhalb der Mitte des Streuinduktivitätsbereichs annimmt. Des weiteren weist die stromkompensierte Drossel Wicklungen auf, die entsprechend in den Wicklungsbereichen aufgebracht sind.
In dieser Ausführungsform ist der Kern generell aus bogenförmige Abschnitte aufgebaut, die somit generell einen streuinduktivitätsarmen Aufbau ermöglichen, wobei sodann auf Grund der reduzierten Innenbreite im Streuinduktivitätsbereich gezielt die gewünschte Streuinduktivität durch konstruktive Maßnahmen eingestellt ist. D. h., im ansonsten streuinduktivitätsarmen Aufbau des Kernes ist durch eine konstruktive Beschränkung der Innenbreite somit in genau definierter Weise ein Bereich vorgesehen, in welchem die Streuinduktivität bewusst auf einen gewünschten Wert einstellbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Innenbreite in der Mitte des Streuinduktivitätsbereichs kleiner als eine maximale Innenbreite des Kerns. D. h., in dieser Ausführungsform ergibt sich tatsächlich eine Verengung des Kerns innerhalb des Streuinduktivitätsbereichs, so dass der Streufluss weiter erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine minimale Innenbreite im Streuinduktivitätsbereich größer oder gleich zu 50% einer maximalen Innenbreite des Kerns. Auch in dieser Ausführungsform ergibt sich eine hohe Streuinduktivität, wobei dennoch die resultierende minimale Innenbreite ein automatisches Wickeln des Kerns ermöglicht.
In einigen Ausführungsformen ist der Streuinduktivitätsbereich mit mindestens zwei Stellen versehen, die eine lokal minimale Innenbreite aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Kern ohne Luftspalt vorgesehen, so dass sich insgesamt eine „geschlossene” Kernkonfiguration ergibt, wobei der vom Kernmaterial umschlossene Innenbereich dennoch ausreichend bemessen ist, so dass ein automatisiertes Bewickeln möglich ist. Andererseits ermöglicht der spaltfreie Aufbau des Kerns das Verwenden beliebiger gut bewährter magnetischer Materialien, wie sie typischerweise auch für Ringkerne verwendet werden.
In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Gesamtlänge des Kerns 20 mm oder kleiner, so dass die Drossel für entsprechende Anwendungen vorgesehen werden kann, in denen etwa Induktivitätswerte von bis zu 100 Millihenry bei Nutzströmen von mehreren Ampere erforderlich sein können, wobei trotz der sehr kompakten Abmessungen des Kernes die gewünschte moderat hohe Streuinduktivität mit guter Reproduzierbarkeit erreicht wird und dennoch die Wicklungen in automatisierter Weise aufgebracht werden können.
In weiteren anschaulichen Ausführungsformen ist die Drossel für einen Betriebsstrom von 20 Ampere oder höher ausgelegt, d. h. die erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel kann auch effizient für Filteranwendungen in Leistungsbauelementen vorgesehen werden, in denen Ströme von mehreren 10 Ampere bis zu einigen 100 Ampere oder höher im Hinblick auf Gleichtakt- und Gegentaktstörsignale zu filtern sind. Dabei können die entsprechenden Kerne mit genau definierter Geometrie vorgesehen werden, so dass auch in diesem Falle die Streuinduktivität mit hoher Genauigkeit durch die Geometrie des Kernes bei der Herstellung des Kerns einstellbar ist, ohne dass zusätzliche Nebenschlusskörper nachträglich anzubringen sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst mittels eines magnetischen Kerns, der für stromkompensierte Drosseln verwendbar ist. Der magnetische Kern weist mehrere bogenförmige Bereiche auf, die jeweils einen ersten Abstand von einem gemeinsamen Mittelpunkt besitzen. Des weiteren umfasst der magnetische Kern mehrere Verbindungsbereiche, wovon jeder Verbindungsbereich je zwei der mehreren bogenförmigen Bereiche miteinander verbindet, wobei die mehreren Verbindungsbereiche jeweils einen zweiten Abstand von dem gemeinsamen Mittelpunkt besitzen und der zweite Abstand verschieden ist von dem ersten Abstand.
Der erfindungsmäße magnetische Kern für stromkompensierte Drosseln weist somit eine von der Form eines Ringkerns abweichende Form auf, so dass durch die unterschiedlichen Abstände der jeweiligen Bereiche des Kerns das Streuinduktivitätsverhalten entsprechend eingestellt werden kann. Der erfindungsgemäße magnetische Kern ist für zweiphasige Stromsysteme und insbesondere aber auch für Mehrphasensystems geeignet, etwa für ein Dreiphasenstromsystem, wobei die jeweiligen bogenförmigen Bereiche im Zusammenwirken mit den Verbindungsbereichen eine für die jeweiligen Phasen sehr symmetrischen Aufbau ermöglichen, und dennoch aufgrund der unterschiedlichen Abstände eine gewünschte hohe Streuinduktivität erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Hinblick auf ein Dreiphasensystem entsprechend drei bogenförmige Bereiche und drei zugehörige Verbindungsbereiche vorgesehen, so dass insgesamt eine zwar ringkernartige Konfiguration erreicht wird, wobei jedoch durch die Kerngestalt aufgrund der unterschiedlichen Abstände der bogenförmigen Bereiche und der Verbindungsbereiche gezielt ”Engstellen” im Kern erzeugt werden, die somit zum einen gut definierte Streuinduktivitätswerte ermöglichen und zum anderen auch gut definierte Wicklungsbereiche für die aufzubringenden Mehrphasenwicklungen ergeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der zweite Abstand, d. h. der Abstand der Verbindungsbereiche, kleiner als der erste Abstand. Damit sind insbesondere die bogenförmigen Bereiche generell mit einem größeren Abstand vorgesehen, so dass sich diese Bereiche vorzugsweise als Wicklungsbereiche anbieten, wohingegen die Verbindungsbereiche als effiziente Streuinduktivitätsbereiche dienen, da diese einen geringeren Abstand zum Mittelpunkt damit auch zu anderen Kernbereichen aufweisen.
In einer anschaulichen Ausführungsform besitzen die Verbindungsbereiche jeweils einen geradlinigen Abschnitt, während in anderen anschaulichen Ausführungsformen auch die Verbindungsbereiche als bogenförmige Abschnitte ausgeführt sind. Somit ergibt sich eine sehr große Flexibilität bei der Einstellung der gesamten magnetischen Länge des Kerns, da beispielsweise durch das Vorsehen geradliniger Abschnitte in den Verbindungsbereichen insgesamt eine einstellbare magnetische Gesamtlänge erreichbar ist, wohingegen eine Ausbildung als bogenförmiger Abschnitt in den Verbindungsbereichen zu einer größeren magnetischen Gesamtlänge bei gleicher geometrischer „Länge” beiträgt.
Die bogenförmigen Bereiche und die Verbindungsbereiche können einen gleichen Querschnitt besitzen, so dass damit auch die magnetische Querschnittsfläche über den gesamten magnetischen Kern hinweg im Wesentlichen gleich ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen ist der Querschnitt zumindest abschnittsweise in den bogenförmigen Bereichen und/oder auch in den Verbindungsbereichen in Form- und/oder Querschnittsfläche variabel gestaltet, um damit etwa gezielt magnetischen Anforderungen Rechnung zu tragen, etwa in Form des Vorsehens von Ausbuchtungen und dergleichen, so dass lokal die Streuinduktivität erhöht werden kann. Des weiteren kann eine Vergrößerung des Kernquerschnitts in gewissen Stellen vorteilhaft ausgenutzt werden, um etwa die mechanische Stabilität zu erhöhen und/oder um speziell gestaltete Kernbereiche vorzusehen, die im Hinblick auf das Aufbringen von Wicklungen eine vorteilhafte mechanische Fixierung ermöglichen, wie dies beispielsweise auch in den bereits zuvor dargelegten anschaulichen stromkompensierten Drosseln beschrieben ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine stromkompensierte Drossel, die insbesondere den zuvor beschriebenen magnetischen Kern aufweist. Auf diese Weise können insbesondere stromkompensierte Drosseln für Mehrphasenstromsysteme bereitgestellt werden, etwa für Dreiphasensysteme, wobei sich insbesondere für das Aufbringen der entsprechenden Wicklungen die bereits zuvor genannten Vorteile im Hinblick auf die automatengerechte Behandlung ergeben. Beispielsweise kann jeweils eine Wicklung vorteilhaft in automatengerechter Weise auf einen bogenförmigen Bereich aufgebracht werden, während die nicht bewickelten Verbindungsbereiche dann effizient als Streuinduktivitätsbereiche dienen, wie dies auch bereits zuvor erläutert ist. Damit gelingt es, für Dreiphasen- oder Mehrphasensysteme eine sehr symmetrisch eingestellte erhöhte Streuinduktivität bereitzustellen, so dass sich eine sehr effiziente Unterdrückung von Gleichtakt- und Gegentaktstörsignalen ergibt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch den Unteransprüchen der angehängten Patentansprüche und der folgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen. Die nachfolgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die gleitenden Zeichnungen, in denen:
1 schematisch eine stromkompensierte Drossel gemäß konventioneller Bauart als Vergleichsbeispiel zeigt,
2a schematisch die Draufsicht einer stromkompensierten Drossel zeigt, in der eine allgemein „ovale” Bauform einen Streuinduktivitätsbereich ergibt, der eine moderat hohe Streuinduktivität hervorruft, die durch die Geometrie des Kernes festgelegt ist,
2b schematisch eine Draufsicht eines Kerns zeigt, in welchem eine geeignete „Einschnürung” in einem geschlossenen Kern in Form eines Streuinduktivitätsbereichs vorgesehen ist,
2c schematisch eine Draufsicht eines Kerns der stromkompensierten Drossel zeigt, wobei der Kern aus bogenförmigen Abschnitten aufgebaut ist und der Streuinduktivitätsbereich zwei minimale Innenabstände zur Einstellung der gewünschten Streuinduktivität und zu einem effizienten Begrenzen eines geeigneten Wicklungsraumes aufweist,
2d eine schematische perspektivische Ansicht des Kerns aus 2c zeigt,
2e schematisch eine Draufsicht der stromkompensierten Drossel mit einem Träger zeigt,
2f schematisch eine Querschnittsdarstellung entlang des Schnittes IIf aus 2e zeigt,
3 schematisch die Abhängigkeit der Induktivität der stromkompensierten Drossel des Vergleichsbeispiels aus 1 vom Strom zeigt,
4 die Abhängig der Induktivität vom Betriebsstrom zeigt, wobei eine Kerngeometrie entsprechend der 2a im Vergleich mit einer Ringkerngeometrie aus 1 dargestellt ist,
5 die Stromabhängigkeit der stromkompensierten Drossel für die in den 2c und 2d gezeigte Kernform im Vergleich zu dem Ringkern aus 1 darstellt,
6 eine Gegenüberstellung der Abhängigkeit der Induktivität vom Betriebsstrom für diverse Kernformen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
7a schematisch eine Draufsicht eines magnetischen Kerns mit einer von der Ringkernform abweichenden Gestalt zeigt, der für Mehrphasensysteme ausgelegt ist, wobei in der gezeigten Ausführungsform der Kern für eine stromkompensierte Wicklungsanordnung für ein 3-Phasensystem vorgesehen ist und
7b eine schematische Ansicht einer stromkompensierten Drossel für ein 3-Phasensystem, also mit der Wicklungen, zeigt.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere Ausführungsbeispiele detaillierter beschrieben, wobei auch zu Vergleichszwecken mit Bezug zu 1 der Aufbau einer konventionellen stromkompensierten Drossel mit Ringkerngeometrie dargestellt wird.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht einer stromkompensierten Drossel 100, die einen Ringkern 110 aufweist, auf welchem eine erste Wicklung 120 und eine zweite Wicklung 130 in symmetrischer Weise aufgebracht sind, so dass bei symmetrischer geometrischer Auslegung der Anordnung und aufgrund der bekannter Weise günstigen Eigenschaften des Kerns 110 im Hinblick auf Streuinduktivitäten ein gewünschter hoher Grad an Kompensation von Gleichtakt-Störsignalen erreicht wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. D. h., die Wicklungen 120 und 130 sind in Bezug auf den Kern 110 in zueinander gegenüberliegenden Positionen angebracht und besitzen die gleiche Anzahl an Windungen, wobei auch in der Regel versucht wird, weitere Eigenschaften der Wicklungen, etwa die Abstände zwischen einzelnen Windungen, und dergleichen möglichst symmetrisch für beide Wicklungen einzurichten. Dazu werden typischerweise automatische Wicklungsverfahren angewendet, in denen geeignete isolierte Leitermaterialien auf den Kern 110 aufgebracht werden.
Der magnetische Kern 110 ist dabei aus einem beliebigen geeigneten Kernmaterial, etwa hochpermeablen Ferritmaterialien, und dergleichen aufgebaut, die gemäß den gewünschten Induktivitätswerten und Anwendungen ausgewählt werden. Wie eingangs bereits erwähnt ist, ist für viele Anwendungen eine erhöhte Streuinduktivität der Drossel 110 erforderlich, um etwa Gegentakt-Störsignale effektiv zu unterdrücken, was typischerweise bewerkstelligt wird durch das Vorsehen eines Nebenschlusskörpers 140, beispielsweise in Form eines Ferritstabes, und dergleichen. Der Ferritstab 140 wird dazu nach Aufbringen der Wicklungen 120, 130 etwa mittels Klebung an dem Kern 110 befestigt, wobei im Zusammenwirken mit den allgemeinen Eigenschaften des Körpers 140, d. h. dessen magnetische Länge, dessen magnetischer Querschnitt, in geringerem Maße der Permeabilität des Magnetmaterials, insbesondere der resultierende Luftspalt zwischen dem Kern 110 und dem Körper 140 den Verlauf der Feldlinien im Körper 140 bestimmt. Beispielsweise lässt sich die Streuinduktivität, die für die stromkompensierte Drossel 100 bei einem Wert von ca. 0,5 bis 1,0% der Sollinduktivität der Drossel 100 liegt, bei Bedarf um 50 bis 100% durch das Vorsehen des Nebenschlusskörpers 140 steigern. D. h., auf diese Weise gelingt auch eine effiziente Kompensation von Gegentaktstörsignalen, ohne wesentlich die Nutzsignalkomponente zu beeinträchtigen.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß die gewünschte hohe Streuinduktivität durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch die geometrische Gestaltung des Kernes an sich erreicht, ohne dass nach der Bewicklung zusätzliche Komponenten des Kernes, etwa in Form eines Nebenschlusskörpers vorgesehen werden müssen. Dazu wird erfindungsgemäß die Kernform so gestaltet, dass für eine an sich geschlossene Kernform geeignete Wicklungsbereiche weiterhin bereitgestellt werden, die eine automatengerechte Bewicklung ermöglichen, während andere, nicht bewickelte Bereiche eine Erhöhung des Streuflusses hervorrufen, wobei die Erhöhung durch die Geometrie des Kernes in diesem Bereich festgelegt ist. Dazu kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine allgemein „ovale” Bauform für eine geschlossene Kerngeometrie gewählt werden, so dass die Wicklungen auf gegenüberliegenden Bereichen des „ovalen” Kerns mit maximalem Abstand zueinander angeordnet werden, während somit nicht bewickelte Bereiche des Kernes im Vergleich zur maximalen Länge einen geringeren Abstand, der im Weiteren auch als Breite bezeichnet wird, aufweisen, so dass sich durch die „Nähe” der nicht bewickelten Bereiche ein erhöhter Streufluss ergibt. Generell ist durch diese Kernform ein streuflussarmer Aufbau im Bereich der Wicklungen möglich, während andererseits der Streufluss gezielt in dem nicht bewickelten Bereich, der im Weiteren auch als Streuinduktivitätsbereich bezeichnet wird, im Vergleich zu einer gewöhnlichen Ringkerngeometrie erhöht wird. Dadurch kann im Vergleich zu einer reinen Ringkerngeometrie auf einen zusätzlichen Nebenschlusskörper verzichtet werden, ohne dass jedoch insgesamt die baulichen Abmessungen für ansonsten vorgegebene Eigenschaften der stromkompensierten Drossel wesentlich geändert werden.
Mit Bezug zu den 2 bis 7 werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf das Vergleichsbeispiel auf 1 verwiesen wird.
2a zeigt schematisch eine Draufsicht einer stromkompensierten Drossel 200, die einen Kern mit erhöhtem Streuflussbereich aufweist, wobei der Einfachheit halber eine derartige Kernform im Weiteren als „ovale” Kernform bezeichnet wird. Der Kern 210 ist in dem gezeigten Beispiel ein geschlossener Kern, d. h. ein Kern ohne Luftspalt, wobei die magnetische Länge, der magnetische Querschnitt, die Permeabilität des verwendeten Materials, und dergleichen in geeigneter Weise an die gewünschten Eigenschaften der Drossel 200 angepasst sind. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass für das Material des Kerns 210 und Verfahren zur Herstellung des Kerns 210 analoge Techniken einzusetzen sind, wie sie auch für gewöhnliche Ringkerngeometrien verwendet werden. Der Kern 210 ist durch eine Gesamtlänge 210L charakterisiert, die sich als maximale Abmessung der Außenkanten des Kerns 210 ergibt, wobei hier die Längsrichtung als die Erstreckung von einer ersten Wicklung 220 zu einer zweiten Wicklung 230 zu verstehen ist. D. h., die Längsrichtung und somit die Gesamtlänge 210L des Kerns 210 ist bestimmt durch den maximalen Abstand zwischen einem ersten Wicklungsbereich 212 und einem zweiten Wicklungsbereich 213, auf denen die Wicklungen 220 und 230 entsprechend aufgebracht sind. Es ist zu beachten, dass durchgängig in dieser Anmeldung die „Längsrichtung” und damit die Gesamtlänge eines Kerns in dem zuvor definierten Sinne zu verstehen ist. Andererseits ist eine Breite 210B des Kerns 210 durch die maximale Abmessung des Kerns 210 in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung, d. h. senkrecht zur Gesamtlänge 210I, zu verstehen. Eine „ovale” Kernform im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist somit als eine Kernform zu verstehen, in der die Gesamtlänge 210L größer ist als die maximale Breite 210b, unabhängig von der geometrischen Form eines zwischen den Wicklungsbereichen 212 und 213 vorgesehenen Bereichs 215 des Kerns 210, der im Weiteren auch als Streuinduktivitätsbereich bezeichnet wird. In der gezeigten Ausführungsform sind die Wicklungsbereiche 212, 213 bogenförmige Abschnitte, so dass sich in diesen Bereichen das vorteilhafte Verhalten von Ringkerngeometrien ergibt, während der Streuinduktivitätsbereich 215 in dem gezeigten Beispiel als ein im Wesentlichen geradliniger Bereich vorliegt, so dass beispielsweise die Bereite 210B in Längsrichtung entlang des Streuinduktivitätsbereichs 215 nahezu gleichbleibend ist.
Der Kern 210 besitzt auch eine Innenbreite 210I, die in dieser Anmeldung als eine Abmessung entlang der Breitenrichtung zu verstehen ist, die durch Innenkanten des Kernmaterials 210 gegeben ist. Dabei wird als die Innenbreite 210I der maximale Wert genommen, der sich entlang der Gesamtlänge 210L jeweils gegenüberliegende Bereiche des Kerns 210 ergibt. In dem gezeigten Beispiel mit geradlinigem Streuinduktivitätsbereich 215 nimmt der Kern 210 somit seine (maximale) Innenbreite entlang des Bereichs 215 an und somit auch außerhalb der Mitte 215M des Bereichs 215.
Die stromkompensierte Drossel 200 kann auf der Grundlage etablierter Fertigungsverfahren hergestellt werden, indem der Kern 210 mittels geeigneter Materialien in die ovale gewünschte Form gebracht, beispielsweise durch geeignete Formen gepresst wird mittels Verfahren, wie sie auch für gewöhnliche Ringkerne Anwendung finden. Ferner kann durch die Geometrie des Kerns 210 dieser maschinell bewickelt werden, um etwa die Wicklungen 220, 230 mit den gewünschten Eigenschaften aufzubringen. Andererseits sind die Streuflusseigenschaften des Kerns 210 im Zusammenwirken mit den Wicklungen 220, 230 durch die Geometrie des Kerns 210 und insbesondere durch den Streuinduktivitätsbereich 215 konstruktiv vorgegeben. In weiteren Bearbeitungsschritten kann die Anordnung aus dem Kern 210 und den Wicklungen 220, 230 auf einen Träger aufgebracht oder in ein geeignetes Gehäuse eingebracht werden, wie dies auch nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Beim Betreiben der stromkompensierten Drossel 200 wird ein Nutzsignal an die Anschlusspunkte 201 angelegt und dieses kann an Anschlüssen 202 abgegriffen werden, wobei eine effiziente Unterdrückung von Gleichtakt-Störsignalen stattfindet auf Grund des symmetrischen Aufbaus des Bauelements 200, während die Unterdrückung von Gegentaktstörsignalen auf Grund der eingestellten Streuinduktivität erfolgt, ohne dass in allzu ausgeprägter Weise das Nutzsignal beeinträchtigt wird, wie dies auch zuvor erläutert ist.
2b zeigt schematisch eine Draufsicht des Bauelements 200, wobei der Kern 210 eine gegenüber der 2a modifizierte „ovale” Kernform besitzt. Wie gezeigt, beträgt der Innenabstand bzw. die Innenbreite in der Mitte des Streuinduktivitätsbereichs 215, wie dies mit 210M gekennzeichnet ist, einen Wert, der geringer ist als die Innenbreite 210I, so dass eine entsprechende Verengung durch die Geometrie des Kerns 210 hervorgerufen wird. In der gezeigten Ausführungsform wird ein relativ konstanter magnetischer Querschnitt für das Kernmaterial vorgesehen, so dass die reduzierte Breite 210M im Zentrum des Bereichs 215 effizient zu einer Erhöhung des Streuflusses führt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in anderen Ausführungsformen der Querschnitt des Kernes 210 sich etwa im Bereich 215 ändern kann, wie dies etwa für den Fall einer Vergrößerung des Querschnitts durch die gestrichelte Linie 215Q dargestellt ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Querschnitt auch kleiner sein als in den Bewicklungsbereichen 212 und 213, oder es kann eine Vergrößerung und eine Verringerung im Querschnitt des Bereichs 215 im Vergleich zu den Bereichen 212 und 213 vorliegen. Ferner ist zu beachten ist, dass die Verengung, die durch die Breite 210M gekennzeichnet ist, entsprechend den Erfordernissen einstellbar ist, jedoch so gewählt wird, dass weiterhin eine maschinelle Bewicklung der Bewicklungsbereiche 212 und 213 möglich ist. Dazu wird die Größe der minimalen Breite 210M in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf maximal 50% der Innenbreite 210I beschränkt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine ausreichende mechanische Zugänglichkeit des von dem Kern 210 umschlossenen Raumbereichs beim maschinellen Bewickeln des Kerns 210 vorliegt. In anderen Ausführungsformen kann die Verengung ausgeprägter sein, also die minimale Breite 210M kann auch kleiner sein als 50% der Innenbreite 210I.
2c zeigt schematisch eine Draufsicht des Kerns 210 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen der Kern 210 in Form von mehreren bogenförmigen Abschnitten aufgebaut ist. Wie gezeigt ist der Wicklungsbereich 212 als bogenförmiger Abschnitt vorgesehen, der durch einen speziellen Krümmungsradius bei vorgegebenem Querschnitt des Kerns 210 bestimmt ist. In gleicher Weise ist der Wicklungsabschnitt 213 als ein bogenförmiger Abschnitt vorgesehen. Daran schließen sich entsprechende bogenförmige Abschnitte des Streuinduktivitätsbereichs 215 an, wobei die diversen Abschnitte mit entsprechenden Krümmungsradien vorgesehen sind, um damit die gewünschte Gesamtkernform zu erhalten. In dem gezeigten Beispiel sind etwa bogenförmige Abschnitte 215a, 215b, 215c, die einen Teil bzw. Schenkel des Bereichs 215 bilden, sowie Abschnitte 215d, 215e, 215f, die einen gegenüber liegenden Teil bzw. Schenkel des Bereichs 215 bilden, gezeigt, und damit eine Verbindung zwischen den Wicklungsbereichen 212 und 213 herstellen. In der dargestellten Ausführungsform ergeben sich auf Grund der etwa unterschiedlichen Krümmungsradien für die Abschnitte 215a, 215c und den Abschnitt 215b bzw. in analoger Weise für die Abschnitte 215f, 215d und den Abschnitt 215e zwei Stellen mit minimaler Innenbreite 210M, während dazwischen die Innenbreite kontinuierlich zunimmt und abnimmt. Durch diese geometrische Ausgestaltung des Kerns 210 ergibt sich zum Einen eine sehr günstige Formgebung für die Wicklungsabschnitte 212, 213, da etwa durch die Abschnitte 215a, 215f, 215c, 215d die Windungen der aufzubringenden Wicklungen effizient räumlich begrenzt werden können. Zum anderen führen die bogenförmigen Abschnitte zu einer Vermeidung von jeglichen scharfen Kanten, wobei dennoch eine gewünschte effiziente Konturierung des Streuinduktivitätsbereichs 215 erreicht wird. Somit werden Streuflüsse durch die optimale Feldführung in gut definierter Weise innerhalb des Bereichs 215 hervorgerufen, wobei durch das Vorsehen der beiden „Minima” 210M eine sehr exakte Kopplung der gegenüberliegenden Bereiche des Kerns 210, und somit eine optimale Streuinduktivität erreicht wird.
In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Gesamtlänge 210L des Kerns 210 20 mm oder weniger, wobei eine Dicke, d. h. die Abmessung des Kernmaterials in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 2c, etwa 6 mm oder weniger beträgt. Für derartige Abmessungen lassen sich Induktivitätswerte für die Sollinduktivität von bis zu 100 mH oder mehr erreichen, wobei Ströme in Abhängigkeit der Sollinduktivität von einigen Ampere fließen können. Andererseits kann eine Streuinduktivität von mehreren 100 μH erreicht werden.
Die gezeigte Kernform ist somit für viele Arten von „Kleinleistungsanwendungen” geeignet, wobei die Filterwirkung im Vergleich zu gewöhnlichen Ringkerngeometrien verbessert werden kann, ohne die lateralen Abmessungen der stromkompensierten Drossel im Vergleich zu Ringkerngeometrien wesentlich zu ändern.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass entsprechende ovale Kernformen auch effizient für Leistungsanwendungen eingesetzt werden können, in denen Nutzströme von mehreren 10 bis mehrere 100 Ampere im Hinblick auf Gegentaktstörsignale und Gleichtaktstörsignale zu filtern sind.
2d zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Kerns 210 gemäß der in 2c dargestellten Ausführungsform.
2e zeigt schematisch eine Draufsicht der stromkompensierten Drossel 200, wobei die in den 2c und 2d gezeigte Kernform verwendet ist. Wie gezeigt, sind die Wicklungen 220 und 230 auf den Kern 210 aufgebracht und sind mit entsprechenden Anschlussstiften 252 eines Gehäuses oder eines Trägers 250 verbunden. Der Träger 250 ist der generellen geometrischen Konfiguration des Kerns 210 angepasst und ist aus einem beliebigen geeigneten Material, etwa Kunststoff und dergleichen aufgebaut, wobei bei sehr hohen Rüttelanforderungen auch zusätzlich Verguss -oder Klebemasse im Inneren des Trägers 250 vorgesehen werden kann. Ferner umfasst das Gehäuse 250 eine Klemmeinrichtung 251, die in der gezeigten Ausführungsform in Form von Klemmhaken vorgesehen ist, so dass die Einrichtung 251 in geeigneter Weise effizient in den Kern 210, insbesondere in den Streuinduktivitätsbereich 215 eingreifen kann. Wie gezeigt, ist die Form der Klemmeinrichtung 251 an die generell ovale Form des Kerns 210 angepasst, so dass eine effiziente Justierung und Fixierung des Gehäuses 250 an dem Kern 210 bereits durch angepassten Formen erreicht wird, ohne dass weitere Befestigungsmittel erforderlich sind. Diese Art der Verbindung von Kern und Träger ist damit sehr schonend für die Umwelt. Des weiteren ist ein innerer Zentrierbereich 253 vorgesehen, der auch als Ansaugfläche bei SMD-Montage dient und damit zu einer sehr guten Verarbeitbarkeit der Drossel 200 beiträgt. Die mechanische Fixierung durch die Einrichtung 251 ist ferner ausreichend, um ein Vergießen oder Verkleben des Trägers 250 ohne weitere Justiermaßnahmen zwischen dem Kern 210 und dem Kern 250 zu ermöglichen. Ferner sind Anschlussstifte 252 an dem Träger 250 vorgesehen, die zum Anschluss der Wicklungen 220 bzw. 230 dienen. Der beschriebene Träger kann auch als Gehäuse für Komplett- oder Teilverguss der Drossel ausgeführt sein.
2f zeigt schematisch eine Schnittansicht gemäß der Linie IIf aus 2e. Wie gezeigt, greifen die Klemmhaken 251 in den Kern 210 ein und fixieren mechanisch den Träger 250 an dem Kern 210. Des weiteren sind die Wicklungen 220, 230 auf dem Kern aufgebracht wobei dies, wie auch zuvor erläutert ist, mittels automatisierter Bewicklungsverfahren erfolgen kann, ohne dass eine nachgeordnete Einstellung des Streuflusses erforderlich ist, wie dies in konventionellen Technologien (siehe 1) der Fall ist.
3 zeigt schematisch eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Induktivität vom Betriebsstrom für das konventionelle Bauelement aus 1, das als Vergleichsobjekt dienen soll. Auf der vertikalen Achse ist die Induktivität, d. h., die bei kompensiertem Betrieb wirksame Induktivität des Bauelements 100 aufgetragen, während die horizontale Achse den Strom angibt. Die Messung der Induktivität erfolgte bei 10 kHz mit einer Spannung von 50 mV, wobei die Temperatur des Bauelements und der Umgebung 20 Grad C betrug. Die Kurve A gibt qualitativ den Verlauf des Bauelements 100 ohne den Nebenschlusskörper 140 an, also die reine Ringkernanordnung, wobei sich eine Streuinduktivität von 330 μH ergab. Bei Verwendung des Nebenschlusskörpers 140 ergab sich eine gewünschte Vergrößerung der Streuinduktivität auf 490 μH, wobei nunmehr erwartungsgemäß ein deutlicherer Abfall bei höheren Strömen für die Sollinduktivität auftritt, wie dies der Kurve B zu entnehmen ist.
4 zeigt schematisch eine graphische Darstellung der Induktivität in Abhängigkeit des Durchlassstromes für das Bauelement 100 aus 1 gemäß der Kurve A, während die Kurve C das entsprechende Verhalten des erfindungsgemäßen Bauelements 200 für die in 2a gezeigte Ausführungsform angibt. Dabei ist zu beachten, dass die Bauelemente im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften mit Ausnahme der Kerngeometrie in gleicher Weise ausgelegt sind. Allerdings besitzt das Bauelement 200, das durch die Kurve C repräsentiert ist, eine Streuinduktivität von 660 μH, was einer Erhöhung der Streuinduktivität von 100% gegenüber einer einfachen Ringkernanordnung des Bauelements 100 entsprechend der Kurve A entspricht. Im Vergleich zu dem Bauelement 100 mit Nebenschlusskörper 140 ergibt sich ebenfalls eine deutliche Steigerung der Streuinduktivität, so dass, zusätzlich zu den Vorteilen im Hinblick auf die Herstellbarkeit, die Fluktuation der Bauteilwerte und dergleichen, ein insgesamt besseres Kompensationsverhalten bei Gegentaktstörsignalen erreicht wird.
5 zeigt schematisch die Verhältnisse für die erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel 200 gemäß einer Ausführungsform mit einer Kerngeometrie, wie sie in den 2c und 2d gezeigt ist. Das entsprechende Verhalten wird durch die Kurve D repräsentiert, während die Kurve A wiederum das Verhalten des konventionellen Ringkernbauelements 100 ohne den Nebenschlusskörpers 140 angibt. In diesem Falle wird für den erfindungsgemäßen Kern eine Streuinduktivität von 760 μH ermittelt, was einer Steigerung von 130% gegenüber der reinen Ringkernanordnung gemäß der Kurve A entspricht.
6 zeigt schematisch den Verlauf der Sollinduktivität in Abhängigkeit des Betriebsstromes für zwei verschiedene Ausführungsformen, d. h. die Kernform, wie sie im Wesentlichen in 2a gezeigt ist (Kurve C), und die Ausführungsform, wie sie im Wesentlichen den 2c und 2d (Kurve D) gezeigt ist. Wie der graphischen Darstellung zu entnehmen ist, besitzen diese Ausführungsformen im Wesentlichen das gleiche qualitative Verhalten im Hinblick auf die Sollinduktivität, wobei beide Kerne eine hohe gewünschte Streuinduktivität besitzen, die für den Kern gemäß der Kurve D gegenüber dem Kern der Kurve C dabei aber noch um 10 bis 15% höher liegt.
Aus den beispielhaften Messergebnissen, die in 3 bis 6 gezeigt sind, lässt sich deutlich erkennen, dass generell die Streuinduktivität in dem erfindungsgemäßen stromkompensierten Drosseln gegenüber konventionellen Ringkerngeometrien, selbst wenn diese mit einem zusätzlichen Nebenschlusskörper versehen wird, erhöht werden kann, wobei auf Grund der geeigneten Kerngeometrie ein sehr effizienter Prozess zum Herstellen der stromkompensierten Drosseln eingerichtet werden kann. D. h., die Kerne besitzen eine automatengerechte Kernform, ohne dass nach der Bewicklung zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um einen gewünschten hohen Streufluss einzustellen. Der Streufluss wird ausschließlich durch die Kerngeometrie, bei vorgegebenen magnetischen Daten und Gesamtabmessungen des Kerns, festgelegt, so dass große Stückzahlen von stromkompensierten Drosseln mit geringen Bereichsschwankungen hergestellt werden können. Die erfindungsgemäßen stromkompensierten Drosseln eignen sich für Kleinleistungsanwendungen im Bereich von 100 Milliampere bis mehrere Ampere, wenn eine effiziente Unterdrückung von Gegenstörsignalen erwünscht ist, während auch die Entstörung von Hochleistungskomponenten effizient auf der Grundlage der „ovalen” Kernform ermöglicht wird. Dabei sichert auch in diesem Falle die Kernform gemäß der vorliegenden Erfindung eine automatengerechte Bewickelbarkeit in Verbindung mit gut einstellbaren magnetischen Werten, beispielsweise für den Streufluss, und dergleichen.
Mit Bezug zu den 7a und 7b werden nunmehr Ausführungsbeispiele eines magnetischen Kerns, sowie einer zugehörigen stromkompensierten Drossel beschrieben, in denen eine geeignete Geometrie für Zweiphasensysteme und insbesondere für Mehrphasensysteme, etwa Dreiphasensysteme, so ermöglicht wird, dass insgesamt eine geeignete Gleichtaktstörungsunterdrückung sowie auch eine ausgeprägte Gegentaktstörungsunterdrückung erfolgt. Ein Mehrphasensystem ist dabei so zu verstehen, dass Signale und insbesondere Versorgungsspannungen und -ströme über mindestens drei Zuleitungen bzw. Phasen in phasenverschobener Weise erfolgt. Dabei soll die Signalzufuhr oder die Zufuhr der Versorgungsenergie in möglichst symmetrischer Weise über die einzelnen Phasen erfolgen, wobei jedoch ausgeprägte Störsignale durch die stromkompensierte Drossel gedämpft werden sollen, wie dies auch bereits zuvor in Bezug auf die zweiphasenstromkompensierte Drossel erläutert ist.
7a zeigt eine schematische Draufsicht eines magnetischen Kerns 710, der zwar eine geschlossene Kernform darstellt, die prinzipiell als ringkernartige Gestalt bezeichnet werden kann, die aber von einer Ringkernform, wie sie gestrichelt als 711 dargestellt ist, deutlich abweicht, um somit ein speziell gestaltetes Streuinduktivitätsverhalten zu erreichen. D. h. der Kern 710 weicht von der Ringkerngestalt 711 so ab, dass in gewünschter Weise eine höhere Streuinduktivität hervorgerufen wird, wenn der Kern 710 als Kern für eine stromkompensierten Drossel verwendet wird. Die gewünschte Abweichung von der Ringkernform 711 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass zum einen bogenförmige Bereiche 713A, 713B, 713C vorgesehen sind, die den Kern 710 eine grundsätzlich ringkernartige Gestalt verleihen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten bogenförmigen Bereichen ein zugehöriger Verbindungsbereich vorgesehen ist, der eine geeignete Gestalt besitzt, um die gewünschte Gesamtkernform zu erreichen. In dem dargestellten Beispiel sind entsprechend den drei bogenförmigen Bereichen 713A 713A ... 713C drei Verbindungsbereiche 715A, 715B und 715C vorgesehen. Zwar können generell die Bereiche 713A 713A ... 713C, sowie auch die zugehörigen Verbindungsbereiche 715A ... 715C, mit voneinander abweichender Form bereitgestellt werden, in vorteilhaften Ausführungsformen sind diese Bereiche jedoch, mit Ausnahme von fertigungsbedingten Abweichungen, in gleicher Weise gestaltet, so dass sich insgesamt ein sehr symmetrischer Aufbau für den Kern 710 und damit auch für die Induktivitätsverhältnisse und insbesondere für die Streuinduktivitätsverhältnisse ergibt. D. h. in der gezeigten Ausführungsform ist der Kern 710 für ein Dreiphasenstromsystem ausgelegt, so dass der Kern 710 zum einen dreifache Rotationssymmetrie in Bezug auf einen Mittelpunkt M und eine Drehachse, die senkrecht zur Zeichenebene der 7a und durch den Mittelpunkt M verläuft, besitzt. Zum anderen wird dadurch auch eine magnetische Symmetrie gemäß der geometrische Geometrie erzeugt, so dass sich dann auch ein entsprechend der geometrischen Symmetrie symmetrisches elektrisches und magnetisches Verhalten erhalten wird. In der dargestellten Ausführungsform besitzen dabei die bogenförmigen Bereiche 713A, ..., 713C jeweils einen bis auf Fertigungstoleranzen gleichen Abstand D1 von dem Mittelpunkt M, während die Verbindungsbereiche 715A ... 715C einen Abstand D2 von dem Mittelpunkt M aufweisen, der sich von dem Abstand D1 unterschiedet. In der dargestellten Ausführungsform sind dabei die Verbindungsbereiche 715A ... 715C näher an dem Mittelpunkt M angeordnet als die bogenförmigen Bereiche 713A ... 713C . D. h. in diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand D2 kleiner als der Abstand D1. Zu beachten ist, dass generell der Abstand eines bogenförmigen Bereichs zu dem Mittelpunkt M so zu verstehen ist, dass der dazugehörige Abstand senkrecht auf der zugehörigen Randlinie des jeweiligen Abschnitts steht. Da das Kernmaterial der jeweiligen Bereiche selbstverständlich auch eine entsprechende Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 7a besitzt, wie dies auch in der perspektivischen Ansicht aus 2d in vergleichbarer Form für den Kern 210 gezeigt ist, soll die zuvor genannte Definition für diejenige Randlinie gelten, die sich durch einen Schnitt durch den Kern 710 ergibt, der der Mittelebene gemäß der Senkrechten zur Zeichenebene der 7a entspricht. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass die in 7a dargestellte Ebene dieser Mittelebene entspricht.
Der Kern 710 kann auch für Mehrphasensysteme ausgebildet sein, die mehr als drei Phasen und damit Wicklungen benötigen, so dass eine entsprechend größere Anzahl an bogenförmigen Bereichen 713A ... 713C und zugehörigen Verbindungsbereiche 715A ... 715C vorzusehen ist. Beispielsweise werden bei einem Vierphasensystem entsprechend vier bogenförmige Bereiche und entsprechend vier zugehörige Verbindungsbereiche vorgesehen, bei einem Fünfphasensystem entsprechend fünf bogenförmige Bereiche und fünf zugehörige Verbindungsbereiche, etc. Mit der oben genannten Definition der Abstände D1 und D2 ergibt sich dabei eine entsprechende Rotationssymmetrie, beispielsweise entsprechen einer vierfachen Rotationssymmetrie, einer fünffacher Rotationssymmetrie und dergleichen. D. h. in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich bei einer Drehung um 120° um die Rotationsachse durch den Mittelpunkt M im Wesentlichen wieder die gleiche Kernfiguration, während bei einer vierfachen Rotationssymmetrie eine Drehung um 90° zu im Wesentlichen der gleichen Kernfiguration führt.
Diese Art der Definition, d. h., die Angabe von Abstanden von Kernbereichen zu einem gemeinsamen Mittelpunkt, einer Abweichung der Kerngeometrie von der Ringkernform 711 lässt sich auch auf die zuvor mit Bezug zu den 2a bis 2f beschriebenen stromkompensierten Drosseln anwenden, wobei dann die bogenförmigen Bereiche den Wicklungsbereichen 212, 213 und die Verbindungsbereiche den als Streuinduktivitätsbereich benannten Bereichen 215 entsprechen. Die entsprechende Rotationssymmetrie wäre demzufolge eine 180°-Symmetrie. Der Abstand der bogenförmigen Bereiche 212, 213 von einem gedachten Mittelpunkt entspricht dabei der Hälfte der geometrischen Gesamtlänge 210L, wobei von dieser geometrischen Länge gemäß der in 7a gezeigten Definition der zugehörigen Abstände D1, der Durchmesser bzw. die maximale laterale Ausdehnung des Kernmaterials abzuziehen ist. In ähnlicher Weise entspricht dem Abstand D2 in 7a die halbe Innenbereite 210I in 2a.
In der in 7a gezeigten Ausführungsform des Kerns 710 sind ferner in den Verbindungsbereichen 715A ... 715C jeweils ein geradliniger Abschnitt 715G vorgesehen, was beispielsweise vorteilhaft ist, um eine entsprechende magnetische Gesamtlänge des Kerns 710 einzustellen, ohne etwa den Abstand D2 zu ändern. In anderen Ausführungsformen können die Verbindungsbereiche 715A ... 715C eine geometrische Gestalt aufweisen, wie dies beispielsweise prinzipiell auch für den Streuinduktivitätsbereich 215 des Kerns 210 in 2b oder des Kerns 210 in 2c gezeigt ist, so dass sich zum einen die Streuinduktivitätsverhältnisse geeignet einstellen lassen und zum anderen auch geeignete Wicklungsbereiche, etwa in den bogenförmigen Bereichen 713A ... 713C, erzeugt werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass entsprechende Wicklungen nicht notwendigerweise auf den bogenförmigen Bereichen 713A ... 713C aufzubringen sind, sondern, dass dazu auch die Verbindungsbereiche 715A ... 715C benutzt werden können. Dabei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, entsprechend ausgelegte geradlinige Bereiche, etwa wie sie in Form des Bereichs 715G schematisch gezeigt sind, vorzusehen. Die sich dadurch einstellenden Streuinduktivitätsverhältnisse können dabei durch Simulation und/oder meßtechnisch erfaßt werden.
7b zeigt schematisch eine Draufsicht einer stromkompensierten Drosseln 700, in der der Kern 710 mit einer dreifachen Rotationssymmetrie, d. h. einer 120°-Symmetrie, vorgesehen ist, wie dies beispielsweise für ein Dreiphasenstromsystem geeignet ist. Dazu sind entsprechende Wicklungen auf den Kern 710 aufgebracht, etwa in Form der Wicklungen 720A, 720B und 720C. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 720A auf den bogenförmigen Bereich 712a aufgebracht, die Wicklung 720B ist auf den bogenförmigen Bereich 713B 713B aufgebracht und die Wicklung 720C ist auf den bogenförmigen Bereich 713C aufgebracht. Somit repräsentieren zumindest die Verbindungsbereiche 715A ... 715C wicklungsfreie Bereiche, die daher eine geeignete Gestalt besitzen, um zum einen die Streuinduktivitätsverhältnisse einzustellen und zum anderen ein automatengerechtes Aufbringen der Wicklungen 720A ... 720C zu ermöglichen und auch die mechanische Fixierung dieser Wicklungen zu begünstigen.
Wie zuvor bereits mit Bezug zur 7a erläutert ist, können dazu die Bereiche 715A ... 715C eine beliebige geeignete Querschnittsform besitzen, wobei sich der Querschnitt auch über die magnetische Länge hinweg ändern kann. In dem gezeigten Beispiel ist ein Bereich mit großem Querschnitt 715Q vorgesehen, so dass sich zumindest in Richtung auf den Mittelpunkt M hin eine entsprechende Ausbuchtung der Bereiche 715A ... 715C ergibt, die einerseits eine gute räumliche Begrenzung der Wicklungsräume in den bogenförmigen Bereichen 713A ... 713C darstellt, und zum anderen auch zu erhöhten Streuinduktivitätswerten beiträgt. D. h. durch die zumindest in der Mitte der jeweiligen Verbindungsbereiche 715A ... 715C vorgesehenen größeren Querschnitte 715Q verringern sich die Abstände D2, so dass demgemäß die Streuinduktivität ansteigt. Die Wicklungen 720A ... 720C können in automatengerechter Weise aufgebracht werden, da insbesondere die Verbindungsbereiche 715A ... 715C so gestaltet sind, dass eine Bearbeitung mittels eines Wicklungsautomaten beim Durchfädeln der Drähte der Wicklungen möglich ist, wie dies bereits auch zuvor mit Bezug zu den stromkompensierten Drosseln 200 erläutert ist. Auch hier gilt, dass die stromkompensierte Drossel 700 auch für Stromsysteme mit mehr als drei Phasen ausgelegt sein kann, wenn entsprechend mehr bogenförmige Bereiche und Verbindungsbereiche vorgesehen werden, wie dies auch zuvor erläutert ist. Auch gelten für die Eigenschaften der Wicklungen 720A ... 720C im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften, wie sie zuvor auch für die Wicklungen 220, 230 der stromkompensierten Drossel 200 beschrieben sind. Insbesondere können die Wicklungen im Zusammenwirkungen mit den magnetischen Eigenschaften und der Geometrie des Kerns 710 auch für höhere Ströme im Bereich von einigen 10 A ausgelegt sein, so dass sich insbesondere günstige Eigenschaften für Leistungsanwendungen in Dreiphasensystemen oder Mehrphasensystemen ergeben. Die stromkompensierte Drossel 700 kann ferner mit einem geeigneten Gehäuse versehen werden, das etwa durch Schnappverschlüsse mechanisch an dem Kern 710 befestigt wird, etwa in den Verbindungsbereichen 715A ... 715C , wie dies auch zuvor in ähnlicher Weise für die Zweiphasendrossel in 2e in Form des Gehäuses 250 beschrieben ist. Damit lässt sich ein entsprechendes Gehäuse unproblematisch fixieren und kann auch als eine Ansaugfläche für Vakuumgreiferanlagen dienen, so dass die stromkompensierte Drossel 700 auch in automatengerechter Weise beim Bestücken von Platinen bearbeitet werden kann.

Claims

Stromkompensierte Drossel mit: einem Kern (210) mit einem ersten bogenförmigen Wicklungsbereich (212), einem zweiten bogenförmigen Wicklungsbereich (213) und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsbereich angeordneten Streuinduktivitätsbereich (215), der den ersten Wicklungsbereich (212) mit dem zweiten Wicklungsbereich (213) verbindet, so dass eine Gesamtlänge (210L) des Kerns (210) bestimmt ist, wobei eine maximale Kernbreite (210B) kleiner ist als die Gesamtlänge (210L) des Kerns (210), einer ersten Wicklung (220), die auf den ersten bogenförmigen Wicklungsbereich (212) aufgebracht ist und einer zweiten Wicklung (230), die auf den zweiten bogenförmigen Wicklungsbereich (213) aufgebracht ist.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 1, wobei der Streuinduktivitätsbereich (215) zwischen dem ersten Wicklungsbereich (212) und dem zweiten Wicklungsbereich (213) eine gleichbleibende Breite aufweist.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 1, wobei die Breite des Streuinduktivitätsbereichs (215) zumindest stellenweise zwischen dem ersten (212) und dem zweiten Wicklungsbereich (213) kleiner ist als die maximale Kernbreite (210B).
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 3, wobei die Breite des Streuinduktivitätsbereichs (215) mindestens zwei Positionen (210M) mit minimaler Breite aufweist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Kern aus bogenförmigen Abschnitten (212, 213, 215A, 215B, 215C, 215D, 215E, 215F) aufgebaut ist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine minimale Innenbreite (210M) zwischen gegenüberliegenden Teilen des Streuinduktivitätsbereichs (215) gleich oder größer ist als 50% einer maximalen Innenbreite (210I) des Kerns.
Stromkompensierte Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Gehäuse oder einen Träger (250) aufweist, das bzw. der mittels Klemmung mit dem Kern verbunden ist.
Stromkompensierte Drossel mit: einem aus bogenförmigen Abschnitten (212, 213, 215A, 215B, 215C, 215D, 215E, 215F) aufgebauten Kern (210) mit in Längsrichtung des Kerns gegenüberliegenden Wicklungsbereichen (212, 213) und mit einem in Längsrichtung zwischen den Wicklungsbereichen angeordneten Streuinduktivitätsbereich (215), wobei der Kern seine maximale Innenbreite (210I) außerhalb der Mitte (215M) des Streuinduktivitätsbereichs annimmt und Wicklungen (220, 230), die entsprechend in den Wicklungsbereichen (212, 213) aufgebracht sind.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 8, wobei eine Innenbreite (210M) in der Mitte des Streuinduktivitätsbereichs (215) kleiner ist als eine maximale Innenbreite (210I) des Kerns.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei eine minimale Innenbreite (210M) im Streuinduktivitätsbereich größer oder gleich ist 50% einer maximalen Innenbreite des Kerns.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Streuinduktivitätsbereich mindestens zwei Stellen mit minimalen Innenbreiten aufweist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Kern ein Kern ohne Luftspalt ist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei eine Gesamtlänge (210L) des Kerns 20 mm oder kleiner ist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Drossel für einen Betriebsstrom von mindestens 20 A ausgelegt ist.
Stromkompensierte Drossel nach einem der Ansprüche 8 bis 14, die ferner einen durch Klemmung mit dem Kern verbundenen Träger oder ein Gehäuse (250) aufweist.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt (215Q) des Kerns im Streuinduktivitätsbereich kleiner oder größer als der Querschnitt im Wickelbereich ist.
Magnetischer Kern für eine stromkompensierte Drossel mit: mehreren bogenförmigen Bereichen (212, 213; 713A, ..., 713C), die jeweils einen ersten Abstand (D1) von einem gemeinsamen Mittelpunkt (M) besitzen, und mehreren Verbindungsbereichen (215; 715A, ..., 715C), wovon jeder Verbindungsbereich (715A, ..., 715C) je zwei der mehreren bogenförmigen Bereiche (212, 213; 713A, ..., 713C) mit einander verbindet, wobei die mehreren Verbindungsbereiche (215; 715A, ..., 715C) jeweils einen zweiten Abstand (D2) von dem gemeinsamen Mittelpunkt (M) besitzen und der zweite Abstand (D2) verschieden ist von dem ersten Abstand (D1).
Magnetischer Kern nach Anspruch 17, wobei drei bogenförmige Bereiche und drei Verbindungsbereiche vorgesehen sind.
Magnetischer Kern nach Anspruch 17 oder 18, wobei der zweite Abstand kleiner ist als der erste Abstand.
Magnetischer Kern nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Verbindungsbereiche jeweils einen geradlinigen Abschnitt (713G) aufweisen.
Magnetischer Kern nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die bogenförmigen Bereiche und die Verbindungsbereiche gleiche Querschnitte aufweisen.
Magnetischer Kern nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Querschnitt in jedem der Verbindungsbereiche in Form und/oder Fläche variiert.
Magnetischer Kern nach einem Ansprüche 17 bis 21, wobei der Querschnitt in jedem der bogenförmigen Bereiche in Form und/oder Fläche variiert.
Magnetischer Kern nach einem Ansprüche 17 bis 23, wobei die bogenförmigen Bereiche und die Verbindungsbereiche einen geschlossenen Kern bilden.
Stromkompensierte Drossel mit: einem Kern gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, und mehreren Wicklungen (720, ..., 720C), wovon jede auf einem der bogenförmigen Bereiche oder einem der Verbindungsbereiche aufgebracht ist.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 25, wobei jeweils eine der mehreren Wicklungen auf einem zugehörigen bogenförmigen Bereich aufgebracht ist.
Stromkompensierte Drossel nach Anspruch 25 oder 26, die ferner ein durch Klemmung mit dem Kern verbundenes Gehäuse aufweist.