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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Drosselvorrichtung mit einer Drosselwicklung, mit einem Kern und mit mindestens einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns. Weiterhin betrifft die Erfindung Verwendungen und Verfahren zum Betrieb einer solchen Drosselvorrichtung.
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Eine solche Drosselvorrichtung wird häufig auch insgesamt als Drosselspule, Speicherdrossel oder kurz als Drossel bezeichnet. Derartige Drosseln werden zum Beispiel in DC-Stellern, das heißt Tiefsetzstellern und Hochsetzstellern, sowie in EMV-Filtern an netzseitigen Ausgängen von Wechselrichtern verwendet.
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STAND DER TECHNIK
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Die Drossel eines DC-Stellers wird von einem Gleichstrom durchflossen, der aufgrund der Schaltvorgänge des DC-Stellers von einer taktfrequenten Stromwelligkeit überlagert ist. Die magnetischen Eigenschaften der Drossel werden dabei so ausgelegt, dass die im Normalbetrieb des DC-Stellers auftretenden Stromstärken die Drossel nicht sättigen. Diese Auslegung bestimmt auch die Größe und damit die Kosten der Drossel. Ein Arbeitsbereich der einen Kern der Drossel nicht sättigenden Stromstärken ist im Normalfall symmetrisch zum Nullpunkt des Stroms und insoweit unabhängig von der Stromrichtung. Eine DC-Drossel wird in der Regel jedoch nur von Strom einer Stromrichtung durchflossen; das heißt es wird nur ihr halber möglicher Arbeitsbereich genutzt.
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Es sind daher Drosselvorrichtungen mit einer Drosselwicklung, mit einem Kern und mit mindestens einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns bekannt, bei denen der Arbeitsbereich durch Einbringen eines Permanentmagneten in den Magnetkreis verschoben ist, indem das Magnetfeld des Permanentmagneten der durch den Gleichstrom durch die Drosselwirkung induzierten Magnetisierung entgegen gerichtet ist. Man spricht hier auch von einer Vor- oder Bias-Magnetisierung oder einem Vorspannen der Drossel. Auf diese Weise wird das von dem Gleichstrom erzeugte Magnetfeld teilweise bis vollständig kompensiert, und der volle Arbeitsbereich der Drossel kann genutzt werden. Dies bedeutet, dass die Drossel erheblich kleiner und mit erheblich weniger Aufwand hergestellt werden kann, wodurch ein Kostenvorteil im Vergleich zu Drosseln ohne Vormagnetisierung erzielbar ist. Hierdurch verringert sich ebenfalls der Materialeinsatz bei unverändert hohem Wirkungsgrad.
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Es besteht jedoch ein nicht unerhebliches Risiko, dass auch ein hochwertiger Permanentmagnet entmagnetisiert wird, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt wird und/oder wenn die Feldstärke des seiner Magnetisierung entgegen gerichteten Magnetfelds der bestromten Drosselwicklung zu groß wird, das heißt größer als die sogenannte intrinsische Koerzitivfeldstärke bei der jeweiligen Temperatur. Als Folge kann der Grad der Vormagnetisierung lokal oder über die gesamte Drossel nachteilig verändert werden. Derart große Magnetfeldstärken treten zwar im Normalbetrieb einer Drosselvorrichtung nicht auf, können aber bei extremen Randbedingungen vielfach nicht ganz ausgeschlossen werden. Zudem ist das Verhalten der Magnetisierung eines Permanentmagneten bei hochfrequenter Modulation des Stroms durch die Drosselwicklung, insbesondere bei einer sogenannten HSS-Drossel, nicht vorherzusagen und könnte trotz an sich zulässiger Absolutfeldstärken negative Auswirkungen auf die Magnetisierung des Permanentmagneten haben.
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Aus der
EP 0 735 657 B1 ist ein Hochsetzsteller mit einer Spule bekannt, die eine Drosselwicklung, einen Kern und einen Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns aufweist. Ein Kern der Spule ist mit Hilfe eines Permanentmagneten entgegen der durch einen im Betrieb des Hochsetzstellers durch die Spule fließenden getakteten Gleichstrom induzierten Magnetisierung vormagnetisiert, um mit einer vergleichsweise kleinen Spule auszukommen.
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Aus der
EP 1 321 950 A1 ist eine Drosselvorrichtung mit einer Drosselwicklung, mit einem Kern und mit einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns bekannt. Dieses Dokument setzt sich mit den Anforderungen an das Material des Permanentmagneten auseinander, damit die Vormagnetisierung des Kerns neben der Volumenreduktion auch zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Bei der bekannten Drosselvorrichtung ist der Permanentmagnet innerhalb der Drosselwicklung im Bereich des Mittelstegs des als EE-Kern ausgebildeten Kerns angeordnet.
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Aus der
EP 2 012 327 A2 ist es bei einer Drosselvorrichtung mit einer Drosselwicklung, mit einem Kern und mit einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns bekannt, dass der magnetische Fluss durch den Kern erhöht werden kann, indem der Permanentmagnet angewinkelt orientiert wird. Hiermit soll es ermöglicht werden, Kunststoff-gebundene, leicht zu bearbeitende Magnetmaterialien, die bestimmte magnetische Kennwerte nicht erfüllen, dennoch zur Vormagnetisierung des Kerns einzusetzen, wobei ihr Vorteil genutzt wird, dass in ihnen aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit auch bei einem normal zum Permanentmagneten angreifenden Magnetfeld keine hohen Wirbelströme entstehen.
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In der
US 6 639 499 B2 ist beschrieben, wie man eine geometrische Anordnung wählen kann, damit es durch mögliche Betriebszustände einer Drosselvorrichtung mit einer Drosselwicklung, mit einem Kern und mit mindestens einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns nicht zu einer Entmagnetisierung des Permanentmagneten kommt. Dies soll es ermöglichen, Permanentmagneten aus Materialien mit relativ geringer intrinsischer Koerzitivfeldstärke zu verwenden. Allerdings können hierbei keine üblichen Kernformen verwendet werden, da der Mittelschenkel des Kerns länger als die Außenschenkel sein muss.
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Die
AT 215 023 B offenbart eine Vorrichtung zur Einstellung der Induktanz mindestens einer auf einem Kern aus ferromagnetischem Material angebrachten Spule. Der Kern besteht aus einem weichen ferromagnetischen Material und ist magnetisch mit einem mit mindestens einer Wicklung versehenen Kern aus einem dauermagnetischen Material gekoppelt. Die magnetische Kopplung resultiert in eine Vormagnetisierung des magnetisch weichen Kerns, welche wiederum Einfluss auf die Induktanz der Spule hat. Dieser Einfluss ist mittels der Wicklung einstellbar, die auf dem permanentmagnetischen Kern angeordnet ist. Dieser Wicklung kann eine regelbare Anzahl magnetisierender oder entmagnetisierender Impulse zugeführt werden, wobei die Amplitude und die Dauer jedes Pulses derart gewählt ist, dass er eine verhältnismäßig geringe Änderung der Remanenz hervorruft. Aufgrund der magnetischen Kopplung des permanentmagnetischen Kerns an den magnetisch weichen Kern resultiert eine Vormagnetisierung des magnetisch weichen Kerns, die die Sättigungsstromstärke des Stroms durch die Spule immer reduziert, d. h. unabhängig von der Richtung des Stroms durch die Spule und unabhängig von der Richtung oder Orientierung der Magnetisierung des permanentmagnetischen Kerns. Die aus der
AT 215 023 B bekannte Vorrichtung wird verwendet, um die Resonanzinduktivität eines Resonanzkreises eines Empfängers für Radio- oder Fernsehsignale abzustimmen. Eine Spule, die in solch einem Resonanzkreis verwendet wird, wird nicht mit einem hohen Leistungsstrom beaufschlagt, wie er üblicherweise in einem DC-Steller oder in einem EMV-Filter auftritt.
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Die
DE 102 59 117 A1 offenbart ein magnetisch kompensiertes induktives Bauteil mit erhöhter Gleichstrombelastbarkeit, das die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist. Das induktive Bauteil umfasst eine Spule und einen Kreis aus ferromagnetischem Material. Ein Teil des magnetischen Kreises ist aus permanentmagnetischem Material gebildet, und die Magnetisierungsrichtung des permanentmagnetischen Materials ist derart gewählt, dass der entstehende magnetische Fluss dem durch den Gleichstromanteil erzeugten Fluss zumindest teilweise entgegenwirkt. Das permanentmagnetische Material kann nach der Herstellung des induktiven Bauteils durch einen Stromimpuls durch eine Spule des induktiven Bauteils oder ein externes Magnetfeld magnetisiert werden. Dabei ist es möglich, nach erfolgtem Einbau des permanentmagnetischen Materials den Arbeitsbereich und die Richtung des kompensierten Gleichstromanteils zu wählen und zu ändern.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs aufzuzeigen, bei der die Vormagnetisierung des Kerns durch den Permanentmagneten im laufenden Betrieb der Drosselvorrichtung maximal nutzbar ist, um die Größe der Drossel und damit ihre Kosten möglichst klein zu halten.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Drosselvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Drosselvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 14 definiert. Die Patentansprüche 15 bis 17 sind auf bevorzugte Verwendungen, die Patentansprüche 18 bis 24 auf bevorzugte Verfahren zum Betrieb der neuen Drosselvorrichtung gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die neue Drosselvorrichtung weist eine Magnetisierungseinrichtung zur Einstellung einer gewünschten Magnetisierung des Permanentmagneten, wobei die Magnetisierungseinrichtung eine Magnetisierungswicklung und eine Schaltung zum Beaufschlagen der Magnetisierungswicklung mit Magnetisierungsstrompulsen auf. Das heißt, bei der neuen Drosselvorrichtung wird die permanente Magnetisierung des Permanentmagneten im laufenden Betrieb eingestellt. Dieses Einstellen umfasst eine gezielte Umkehr der Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf eines durch die Drosselwicklung der Drosselvorrichtung fließenden Wechselstroms, so dass die Magnetisierung des Permanentmagneten für jede Halbwelle des Wechselstroms an die Stromflussrichtung angepasst wird. Dazu wird die Magnetisierungswicklung von der Schaltung mit Magnetisierungsstrompulsen hoher Stromstärke beaufschlagt, wobei die maximale Stromstärke dieser Magnetisierungsstrompulse typischerweise über die im normalen Betrieb der Drosselvorrichtung maximal fließenden Ströme hinausgeht, insbesondere um für eine Umkehr der Magnetisierungsrichtung die intrinsische Koerzitivfeldstärke im Bereich des Permanentmagneten gezielt zu überschreiten. Aufgrund dieser dynamischen Einstellung der Magnetisierung des Permanentmagneten können bei der neuen Drosselvorrichtung auch Materialien für den Permanentmagneten zum Einsatz kommen, die aufgrund ihrer relativ geringen intrinsischen Koerzitivfeldstärke für einen Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Kerns normalerweise weniger günstig erscheinen. Hierdurch können neben der Größe der Drossel zusätzliche Kosten eingespart werden, wobei die Ersparnis durch die Magnetisierungseinrichtung der neuen Drosselvorrichtung nicht aufgezehrt wird.
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Bei der neuen Drosselvorrichtung muss nicht zwingend eine zusätzliche Magnetisierungswicklung neben der Drosselwicklung vorgesehen sein. Vielmehr kann die Drosselwicklung selbst oder ein Teil davon als Magnetisierungswicklung Verwendung finden.
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Insbesondere kann der gemeinsame Teil der Magnetisierungswicklung und der Drosselwicklung ein den Permanentmagnet umschließender Teil der Drosselwicklung sein, der selektiv mit den Magnetisierungsstrompulsen beaufschlagt wird. Die anderen, nicht zur Magnetisierungswicklung gehörigen Teile der Drosselwicklung können von der Schaltung beim Beaufschlagen der Magnetisierungswicklung mit den Magnetisierungsstrompulsen kurzgeschlossen werden, so dass sich das durch die Beaufschlagung der Magnetisierungswicklung ausbildende magnetische Feld auf den Bereich des Permanentmagneten konzentriert, indem es durch das Gegenfeld, welches von dem in den kurzgeschlossenen Teilen der Drosselwicklung induzierten Strom hervorgerufen wird, aus den an den Bereich des Permanentmagneten angrenzenden Teilen des Kerns verdrängt wird.
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Umgekehrt kann die Magnetisierungswicklung zumindest einen von der Drosselwicklung getrennten Teil aufweisen. Dieser Teil der Magnetisierungswicklung kann mit der Drosselwicklung bei der Einstellung der gewünschten Magnetisierung des Permanentmagneten zusammenwirken, indem eine zur Einstellung der gewünschten Magnetisierung erforderliche Auf- oder Ummagnetisierungsfeldstärke nur durch Bestromung beider Teile der Magnetisierungswicklung erreicht wird. Es ist aber auch möglich, die Magnetisierungswicklung völlig von der Drosselwicklung zu trennen und die Einstellung der Magnetisierung des Permanentmagneten ausschließlich durch Bestromung dieser getrennten Magnetisierungswicklung zu bewirken.
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Wenn die Magnetisierungswicklung zumindest einen von der Drosselwicklung getrennten Teil aufweist, so ist dieser vorzugsweise so gewickelt, dass die durch ihn fließenden Magnetisierungsstrompulse keine Spannungen in der Drosselwicklung induzieren. Zu diesem Zweck kann der von der Drosselwicklung getrennte Teil der Magnetisierungswicklung außerhalb des Kerns gewickelt sein, das heißt nicht um den Kern, der den magnetischen Kreis für die Drosselwicklung bereitstellt.
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Die Schaltung für die Beaufschlagung der Magnetisierungswicklung mit den Magnetisierungsstrompulsen weist vorzugsweise einen Ladungsspeicher, insbesondere einen Kondensator, auf, aus dem heraus sie die Magnetisierungswicklung mit den Magnetisierungsstrompulsen beaufschlagt.
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Es wurde bereits angesprochen, dass bei der neuen Drosselvorrichtung das Material des Permanentmagneten wegen der dynamischen Einstellung seiner Magnetisierung aus einer größeren Gruppe von Materialien ausgewählt werden kann, d. h. es können auch weniger hochwertige Permanentmagnete zum Einsatz kommen als sie normalerweise für eine Magnetisierung ausgewählt würden, die auch unter widrigen Bedingungen über einen langen Zeitraum von vielen Jahren anhalten soll. Ein Permanentmagnet mit einer geringeren intrinsischen Koerzitivfeldstärke kann sogar vorteilhaft sein, weil seine Magnetisierung mit geringeren Feldstärken, d. h. geringeren Magnetisierungsstrompulsen nach Wunsch eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise weist die neue Drosselvorrichtung neben der Magnetisierungseinrichtung auch eine Magnetisierungserfassungseinrichtung zur Erfassung der aktuellen Magnetisierung des Permanentmagneten auf. Dadurch kann beispielsweise erkannt werden, warm es erforderlich ist, den Permanentmagneten bezüglich seiner Magnetisierung gezielt zu verändern oder ”aufzufrischen”.
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Die Magnetisierungserfassungseinrichtung kann zum Beispiel den Zeitverlauf eines Stroms durch die Drosselwicklung auswerten, wie er aus anderen Gründen sowieso erfasst werden mag. Aus diesem Zeitverlauf lässt sich erkennen, ob die Drosselvorrichtung bereits eine Sättigung erreicht hat, die sie bei dem jeweiligen Strom nicht erreichen sollte. Dann ist es Zeit, die Magnetisierung des Permanentmagneten anzupassen bzw. zu korrigieren.
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Für ein reines Auffrischen der Magnetisierung des Permanentmagneten reicht es aus, wenn die Magnetisierungseinrichtung die Magnetisierungswicklung mit Magnetisierungsstrompulsen einer gewissen Mindeststromstärke in einer festen Stromflussrichtung beaufschlagt. Wenn hingegen die Magnetisierung des Permanentmagneten auch gezielt reduziert oder umgekehrt werden soll, muss die Stromflussrichtung der Magnetisierungsstrompulse variabel sein. Für die Einstellung bestimmter Magnetisierungen ist es erforderlich, dass die Magnetisierungseinrichtung die Magnetisierungswicklung mit Magnetisierungsstrompulsen definierter maximaler Stromstärke beaufschlagt, weil es die maximale Stromstärke der Magnetisierungsstrompulse durch die Magnetisierungswicklung ist, die die Magnetfeldstärke am Ort des Permanentmagneten bestimmt, mit der wiederum die Magnetisierung des Permanentmagneten eingestellt wird. Zudem ist es, wenn eine höhere Magnetisierung des Permanentmagneten vorliegt, als sie eingestellt werden soll, zunächst erforderlich, diese Magnetisierung durch einen Magnetisierungsstrompuls, der ein entgegen gesetztes magnetisches Feld oberhalb der intrinsischen Koerzitivfeldstärke hervorruft, zu beseitigen
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Die Magnetisierungseinrichtung der neuen Drosselvorrichtung kann die Magnetisierung des Permanentmagneten in Abhängigkeit von einem mittleren Strom durch die Drosselwicklung einstellen, um sie für diesen mittleren Strom im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Drosselvorrichtung zu optimieren. Die Anpassung an den mittleren Strom durch die Drosselwicklung kann dabei sehr kurzfristig erfolgen. Im Extremfall ändert die Magnetisierungseinrichtung eine Richtung der Magnetisierung des Permanentmagneten mit jeder Halbwelle, zum Beispiel mit der doppelten Frequenz eines durch die Drosselwicklung fließenden Wechselstroms. Damit wird es bei Verwendung nur einer Drosselwicklung erstmals möglich, eine Drossel mit Vormagnetisierung auch für einen Wechselstrom zu verwenden, um die damit verbundenen Baugrößenvorteile auszunutzen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben, wobei nur die 8 bis 13 unter die Patentansprüche fallende Drosselvorrichtungen zeigen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der Drossel- und Magnetisierungswicklung sowie des Kerns und des Permanentmagneten einer nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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2 zeigt Komponenten einer nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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3 zeigt Komponenten einer weiteren nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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4 zeigt Komponenten einer weiteren nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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5 zeigt Komponenten einer weiteren nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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6 zeigt eine Schaltung der Magnetisierungseinrichtung einer nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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7 zeigt eine Schaltung der Magnetisierungseinrichtung einer nicht unter die Patentansprüche fallenden Drosselvorrichtung.
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8 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung der Magnetisierungseinrichtung der neuen Drosselvorrichtung;
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9 zeigt eine weitere, für einen Wechselstrom vorgesehene Ausführungsform der neuen Drosselvorrichtung, wobei die resultierenden Magnetfeldlinien im Normalbetrieb dargestellt sind;
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10 zeigt die Ausführungsform der neuen Drosselvorrichtung gemäß 9, wobei die resultierenden Magnetfeldlinien im Ummagnetisierungsbetrieb dargestellt sind;
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11 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der neuen Drosselvorrichtung gemäß 9 und 10;
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12 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer weiteren, gegenüber den 9 bis 11 vereinfachten Ausführungsform der neuen Drosselvorrichtung; und
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13 zeigt ein Beispiel für einen Zeitverlauf eines Wechselstroms durch die zugleich als Magnetisierungswicklung dienende Drosselwicklung einer Ausführungsform der neuen Drosselvorrichtung.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt den magnetischen Kreis 1 einer Drosselvorrichtung 2, die in den hier dargestellten Komponenten dem Stand der Technik entspricht. Die Drosselvorrichtung 2 weist eine Drosselwicklung 3 auf einem Kern 4 auf, der als UU-Kern ausgebildet ist, wobei zwischen den freien Enden der Schenkel der U-Teilkerne jeweils ein Permanentmagnet 5 zur Vormagnetisierung des Kerns 4 angeordnet ist. Die Richtung der Magnetisierung der Permanentmagnete 5 ist durch Pfeile 6 angezeigt. Diese Magnetisierung weist die entgegen gesetzte Richtung zur Magnetisierung des Kerns 4 aufgrund einer Bestromung der Drosselwicklung 3 mit einem Gleichstrom auf, dessen Stromwelligkeit mit der Drosselvorrichtung 2 geglättet wird. Auf diese Weise wird der Arbeitsbereich der Drosselvorrichtung 2, in dem keine Sättigung der Magnetisierung des Kerns 4 auftritt, in die Richtung der hier nur mit einem Vorzeichen auftretenden Stromstärken der Bestromung der Drosselwicklung 3 verschoben. Diese Verschiebung geht verloren, wenn die Magnetisierung der Permanentmagnete 5 durch Einflüsse von Temperatur, hohen Stromstärken durch die Drosselwicklung 3, die über den normalen Arbeitsbereich hinausgehen, oder auch hochfrequenter Anteile des Stroms durch die Drosselwicklung 3 zurückgeht oder gar ganz verlorengeht. Zur Wiederherstellung der Magnetisierung der Permanentmagnete 5 werden diese bei der Drosselvorrichtung 2 mit einem Magnetfeld beaufschlagt, das über ihre intrinsische Aufmagnetisierungsfeldstärke hinausgeht. Hierzu wird in der Ausführungsform gemäß 1 von einer Magnetisierungseinrichtung die Drosselwicklung 3 als Magnetisierungswicklung 7 verwendet, die über eine hier nicht dargestellte Schaltung mit einem oder mehreren Magnetisierungsstrompulsen beaufschlagt wird. Dabei weisen diese Magnetisierungsstrompulse die umgekehrte Stromflussrichtung des Gleichstroms auf, der normalerweise durch die Drosselwicklung 3 fließt. Bei diesen Magnetisierungsstrompulsen bestimmt die maximale Stromstärke die magnetische Feldstärke, die auf die Permanentmagneten 5 einwirkt, und damit die wiederhergestellte Magnetisierung der Permanentmagnete 5.
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Durch geeignete Wahl des Materials der Permanentmagnete 5 kann durch die Magnetisierungsstrompulse nicht nur eine gewünschte Magnetisierung der Permanentmagnete 5 wiederhergestellt werden, sondern es ist auch möglich, verschiedene Magnetisierungen einzustellen. Eine solche Einstellung unterschiedlicher Magnetisierungen der Permanentmagnete 5 kann genutzt werden, um die Lage des Arbeitsbereichs der Drosselvorrichtung 2 an den Mittelwert des aktuell durch die Drosselwicklung 3 fließenden Gleichstroms anzupassen. So ist eine maximale Verschiebung dieses Arbeitsbereichs, wie sie für große Ströme durch die Drosselwicklung 3 sinnvoll ist, bei kleineren Strömen mit unnötigen Wirkungsgradverlusten verbunden.
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Der optimale Betriebspunkt der Drosselvorrichtung liegt da, wo sich die Vormagnetisierung des Kerns 4 durch den Permanentmagneten 5 und die durch den Gleichstrom durch die Drosselwicklung 3 induzierte Magnetisierung gerade aufheben, mithin im Symmetriepunkt der Magnetisierungskurve. Dies entspricht einer Lage des optimalen Betriebspunktes beim halben Maximalwert des über die Drosselwicklung 3 fließenden Stroms, zum Beispiel in dem Fall, dass der Strom durch die Drosselvorrichtung zwischen null und dem Maximalwert variiert.
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Dieses Prinzip kann auch so weit getrieben werden, dass bei einem Wechselstrom durch die Drosselwicklung 3 die Magnetisierung der Permanentmagnete 5 mit jedem Vorzeichenwechsel der Stromflussrichtung zwischen zwei Halbwellen des Wechselstroms umgekehrt wird. 13 skizziert den Zeitverlauf eines Wechselstroms durch die zugleich als Magnetisierungswicklung 7 dienende Drosselwicklung 3, mit dem diese Umkehr der Richtung der Magnetisierung der Permanentmagnete 5 realisiert werden kann. Am Ende jeder Halbwelle steigt der Strom I in einem Magnetisierungsstrompuls 8 kurzzeitig auf ein Mehrfaches des Scheitelwerts des normalen Wechselstroms an, wodurch die intrinsische Koerzitivfeldstärke der Permanentmagnete 5 überschritten und ihre Magnetisierung für die nächste Halbwelle des Wechselstroms umgekehrt wird. So ist der Arbeitsbereich der Drosselvorrichtung 2 immer für die jeweils folgende Halbwelle des Wechselstroms optimiert. Auf diese Weise kann die Größe der Drosselvorrichtung 2, insbesondere ihres magnetischen Kreises 1, verglichen mit Drosselvorrichtungen ohne dynamisch ummagnetisierte Permanentmagnete etwa halbiert werden.
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2 zeigt eine Drosselvorrichtung 2, bei der die Magnetisierungswicklung 7 separat von der Drosselwicklung 3 vorgesehen und dabei so ausgebildet ist, dass sich die durch ihre Bestromung mit den Magnetisierungsstrompulsen in der Drosselwicklung 3 induzierten Spannungen aufheben. Hierzu verläuft die Magnetisierungswicklung 7 ausschließlich außen um die Schenkel des UU-Kerns 4. Die beiden Permanentmagnete 5 sind entsprechend nur zwischen den gegenüberliegenden freien Enden eines Paares der Schenkel der U-Kernteile angeordnet, weil die Magnetisierungsstrompulse die Magnetisierung der Permanentmagnete 5 nur in einer absoluten Richtung einstellen kann und nicht in den bei einer Anordnung gemäß 1 einander notwendigerweise entgegengesetzten Richtungen der Magnetisierung der Permanentmagnete 5. Der jeweils andere Schenkel kann keinen Permanentmagneten aufweisen, oder einen Permanentmagneten, der durch die Magnetisierungseinrichtung nicht oder nicht im gleichen Maße ummagnetisiert wird, z. B. weil er eine höhere Koerzitivfeldstärke besitzt.
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3 zeigt eine Drosselvorrichtung 2 mit einer vorteilhaften geometrischen Form des Kerns 4 im Bereich der Permanentmagnete 5 und der auch hier separat vorgesehenen Magnetisierungswicklung 7. Angrenzend an die Permanentmagnete 5 ist der magnetische Kreis aus Stücken 9 mit höherer Sättigungsfeldstärke, z. B. aus nanokristallinem Material ausgebildet. Auf diese Weise bildet sich ein eigener magnetischer Kreis 10 für die Magnetisierungswicklung 7 aus. Dieser magnetische Kreis 10 erstreckt sich außen über Luftspalte 11. Bei der normalen Bestromung der Drosselwicklung 3 spielt er keine Rolle. Bei den Magnetisierungsstrompulsen, die über die Sättigung des Kerns 4 hinausgehen, wird er jedoch wirksam.
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Ein solcher separater magnetischer Kreis 10 für die Magnetisierungswicklung 7 ist auch bei der Drosselvorrichtung 2 gemäß 4 ausgebildet. Hier ist sogar ein eigener Kern 12 für die Magnetisierungswicklung 7 vorhanden, der mit dem Kern 4 überlappt, der den magnetischen Kreis 1 für die Drosselwicklung 3 ausbildet.
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Bei der Drosselvorrichtung 2 gemäß 5 ist dieses Konzept in abgewandelter Form bei einem Kern 1 verwirklicht, der als EE-Kern ausgebildet ist. Die zusätzlichen Teile von zwei Kernen 12 für zwei Magnetisierungswicklungen 7 zur Magnetisierung jeweils eines Permanentmagneten 5 sind dabei als U-Teilkerne ausgebildet.
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6 zeigt eine Schaltung 13, die grundsätzlich einen Hochsetzsteller 14 mit der Drosselwicklung 3, einem Schalter 15 und einer Diode 16 zwischen einem eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 17 mit einem Kondensator 18 und einem ausgangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 19 mit einem Kondensator 20 verwirklicht. Daneben weist die Schaltung 13 einen zusätzlichen Schalter 21 auf, der parallel zu der Diode 16 geschaltet ist und der geschlossen wird, um zur Ausbildung eines Magnetisierungsstrompulses einen Strom von dem Kondensator 20 durch die auch als Magnetisierungswicklung 7 dienende Drosselwicklung 3 zurück, das heißt entgegen der üblichen Arbeitsrichtung des Hochsetzstellers 14, in den Kondensator 18 fließen zu lassen. Mit einem solchen Strompuls geeigneter Amplitude wird bei einer Drosselvorrichtung 2 gemäß 1 die Magnetisierung der Permanentmagnete 5 aufgefrischt. Die hierfür durch die auch als Drosselwicklung 3 dienende Magnetisierungswicklung 7 fließende Ladung ist nicht verloren, weil sie zurück in den Eingangszwischenkreis 17 gelangt. Die Stromflussrichtung der Magnetisierungsstrompulse wird hier durch die Spannungsdifferenz zwischen dem eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 17 und dem ausgangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 19 getrieben.
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Bei der Schaltung 13 gemäß 7 handelt es sich zunächst um eine solche eines Tiefsetzstellers 22 mit einem Schalter 23, einer Diode 24 und der Drosselwicklung 3 zwischen dem eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 17 und dem ausgangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 19. Zusätzlich ist hier ein Schalter 25 vorgesehen, mit dem der Kondensator 20 des ausgangsseitigen Zwischenkreises über die auch als Drosselwicklung 3 dienende Magnetisierungswicklung 7 kurzschließbar ist, um die Magnetisierungsstrompulse durch die Magnetisierungswicklung 7 hervorzurufen.
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Wenn eine Drosselvorrichtung als Teil eines LC-Filters am Ausgang einer steuerbaren Wechselstromquelle, z. B. an einer Wechselrichterbrücke angeschlossen ist, kann ein Magnetisierungsstrompuls 8 in vorteilhafter Weise direkt durch entsprechende Ansteuerung der Wechselstromquelle, insbesondere durch geeignete Taktung der Wechselrichterbrücke erzeugt werden. 8 skizziert eine besonders bevorzugte Schaltung 13, um Magnetisierungsstrompulse über die Magnetisierungswicklung 7 bzw. Drosselwicklung 3 hervorzurufen, die hier zusammen mit einem ausgangsseitigen Kondensator 26 einen LC-Filter 27 ausbildet. Der Magnetisierungswicklung 7 ist dabei eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 28 und einem Schalter 29 parallel geschaltet. Der Kondensator 28 wird durch eine externe Spannungsquelle 30 aufgeladen und zur Erzeugung der Magnetisierungsstrompulse durch die Magnetisierungswicklung 7 durch Schließen des Schalters 29 über die Magnetisierungswicklung 7 entladen. Auf diese Weise wird der Ausgang des LC-Filters 27 nicht mit den Magnetisierungsstrompulsen beaufschlagt. Eine der hier skizzierten Schaltung 13 entsprechende Schaltung kann auch in Gleichstromstellern, wie dem Hochsetzsteller 14 gemäß 6 oder dem Tiefsetzsteller 22 gemäß 7, eingesetzt werden und ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn die Magnetisierungswicklung 7 von der Drosselwicklung 3 getrennt ist.
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Die in den 9 bis 11 dargestellte Drosselvorrichtung 2 ist für einen Hauptstrom 35 mit wechselnder Stromflussrichtung, d. h. einen Wechselstrom vorgesehen. Dieser Hauptstrom resultiert im Normalbetrieb der Drosselvorrichtung 2 in ein magnetisches Feld in dem Kern 4 mit den in 9 dargestellten Magnetfeldlinien 36. Die dabei durch Pfeilspitzen angedeutete Feldrichtung entspricht der ebenfalls den Pfeilspitzen angedeuteten Flussrichtung des Hauptstroms 35. Die Drosselwicklung 3 ist hier in vier Teilwicklungen 41 bis 44 aufgeteilt, die in der Reihenfolge 42, 43, 41 und 44 (bzw. umgekehrt) von dem Hauptstrom 35 durchflossen werden. Im Magnetisierungsbetrieb gemäß 10 dienen nur die Teile 41 und 44 als Magnetisierungswicklung, während eine Kurzschlussleitung 37 vorgesehen ist, die die Teile 42 und 43 der Drosselwicklung 3 kurzschließt, wenn ein in ihr angeordneter Kurzschlussschalter 34 geschlossen ist. Dieses Kurzschließen geschieht, um beim Beaufschlagen der Teile 41 und 44 mit Magnetisierungsstrompulsen von der Schaltung 13 das resultierende magnetische Feld auf die Permanentmagnete 5 zu konzentrieren. Diese Konzentration basiert darauf, dass die in den kurzgeschlossenen Teilen 42 und 43 der Drosselwicklung 3 durch das mit den Magnetisierungsstrompulsen durch die Teile 41 und 44 hervorgerufene Magnetfeld induzierten Ströme ein Gegenfeld hervorrufen, das das induzierende Magnetfeld aus den von den Teilen 42 und 43 umschlossenen Teilen des Kerns 4 verdrängt. Die resultierenden Magnetfeldlinien 45 um die Teile 41 und 44 der Magnetisierungswicklung und die Magnetfeldlinien 46 um die Teile 42 und 43 der Drosselwicklung 3 zeigt 10.
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In den 9 bis 11 sind auch Details der Schaltung 13 wiedergegeben, die die Magnetisierungswicklung 7 mit den Magnetisierungsstrompulsen beaufschlagt. Die Schaltung 13 weist hier zwei Kondensatoren 28 und 38 auf, die über einen gemeinsamten Widerstand 33 und eine jeweilige Diode 31 bzw. 32 von einem Wechselstrom aufgeladen werden, der von einem Abzapfpunkt zwischen den Teilen 43 und 41 abgezapft wird. Über Schalter 29 und 39, die hier als Thyristoren ausgebildet sind, aber bei gleicher Funktionalität auch anders realisiert sein können, werden die Kondensatoren 28 und 38 wechselweise durch die Teile 41 und 44 der Magnetisierungswicklung 7 entladen, um die Permanentmagnete 5 wechselweise in unterschiedlicher Richtung zu magnetisieren, damit die Drosselvorrichtung 2 aufgrund der Vormagnetisierung ihres Kerns 4 durch die hier zwei Permanentmagnete 5 für die nächste Halbwelle des Wechselstroms vorbereitet ist. Der Widerstand 33, über den die Kondensatoren 28 und 38 aufgeladen werden, ist zumindest bei kleinen Arbeitsströmen bzw. kleinen Nennleistungen der Drosselvorrichtung 2 optional. Hierdurch können die in ihm anfallenden ohmschen Verluste vermieden werden. Die gesamte Bewicklung des Kerns 4 wird bei der Ausführungsform der Drosselvorrichtung 2 gemäß den 9 bis 11 als Drosselwicklung 3 genutzt. Dennoch wird beim Beaufschlagen der Teile 41 und 44 der Drosselwicklung mit den Magnetisierungsstrompulsen das resultierende Magnetfeld maximal auf die umzumagnetisierenden Permanentmagnete 5 fokussiert, indem die weiteren Teile 42 und 43 der Drosselwicklung gleichzeitig kurzgeschlossen werden.
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Das in den 9 bis 11 für eine Drosselvorrichtung 2 für einen Wechselstrom vorgesehene Konzept, bei dem eine Ummagnetisierung der Permanentmagnete 5 zwischen den Halbwellen des als Hauptstrom fließenden Wechselstroms erfolgt, kann auch auf eine Drosselvorrichtung 2 für einen (getakteten) Gleichstrom angewandt werden. Dies ist in 12 skizziert. Hier ist eine Drosselwicklung 3 in zwei Teile 41 und 42 aufgeteilt, von denen der eine Teil 42 für eine Magnetisierung eines im Bereich des anderen Teils 41 angeordneten Permanentmagneten durch Schließen des Kurzschlussschalters 34 in der Kurzschlussleitung 37 kurzgeschlossen wird, während durch Schließen des Schalters 29 ein zwischenzeitlich über einen Widerstand 33 und eine Diode 33 aufgeladener Kondensator 28 entladen wird, um einen Magnetisierungsstrompuls durch den als Magnetisierungswicklung 7 dienenden Teil 41 zu erzeugen.
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Indem bei der Ausführungsformen der Drosselvorrichtung 2 gemäß 12 das magnetische Feld, das durch den Magnetisierungsstrompuls hervorgerufen wird, auf den Permanentmagnet fokussiert wird, reicht im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß 8 ein kleinerer Strom des Magnetisierungsstrompulses aus, um die intrinsische Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten 5 zu überschreiten. Entsprechend kann der Kondensator 28 kleiner dimensioniert werden. Dies ist ein grundsätzlicher Vorteil, aller in den 9 bis 12 gezeigten Ausführungsformen der neuen Drosselvorrichtung 2.
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Nicht dargestellt ist in den Figuren eine Magnetisierungserfassungseinrichtung, die die Magnetisierung des oder der Permanentmagneten der Drosselvorrichtung erfasst. Diese Magnetisierungserfassungsvorrichtung kann aber einfach dadurch realisiert sein, dass der Zeitverlauf eines Stroms durch die Drosselwicklung auf Anzeichen einer unerwünschten Sättigung des Kerns überwacht wird, beispielsweise auf einen unerwartet hohen Stromanstieg oder -abfall. Wird auf diese Weise festgestellt, dass die Magnetisierung des Permanentmagneten zurückgegangen ist oder aus anderen Gründen nicht mehr passend ist, wird ein Magnetisierungsstrompuls durch die Magnetisierungswicklung ausgelöst. Dabei kann die Stromstärke des Magnetisierungsstrompulses darauf abgestimmt werden, welche Magnetisierung des Permanentmagneten eingestellt werden soll. Wenn dazu zunächst eine höhere Magnetisierung zu beseitigen ist, kann vor dem eigentlichen Magnetisierungsstrompuls auch noch ein Entmagnetisierungsstrompuls durch die Magnetisierungswicklung notwendig sein, der die entgegengesetzte Stromflussrichtung des anschließenden Magnetisierungsstrompulses aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- magnetischer Kreis
- 2
- Drosselvorrichtung
- 3
- Drosselwicklung
- 4
- Kern
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Pfeil
- 7
- Magnetisierungswicklung
- 8
- Magnetisierungsstrompuls
- 9
- Stück
- 10
- magnetischer Kreis
- 11
- Luftspalt
- 12
- Kern
- 13
- Schaltung
- 14
- Hochsetzsteller
- 15
- Schalter
- 16
- Diode
- 17
- Gleichspannungszwischenkreis
- 18
- Kondensator
- 19
- Gleichspannungszwischenkreis
- 20
- Kondensator
- 21
- Schalter
- 22
- Tiefsetzsteller
- 23
- Schalter
- 24
- Diode
- 25
- Schalter
- 26
- Kondensator
- 27
- LC-Filter
- 28
- Kondensator
- 29
- Schalter
- 30
- Spannungsquelle
- 31
- Diode
- 32
- Diode
- 33
- Widerstand
- 34
- Kurzschlussschalter
- 35
- Hauptstrom
- 36
- Magnetfeldlinie
- 37
- Spannungsquelle
- 38
- Kondensator
- 39
- Schalter
- 41
- Teilwicklung
- 42
- Teilwicklung
- 43
- Teilwicklung
- 44
- Teilwicklung
- 45
- Magnetfeldlinie
- 46
- Magnetfeldlinie
