DE102014117551B4

DE102014117551B4 - Mehrfachdrossel und Leistungswandler mit einer Mehrfachdrossel

Info

Publication number: DE102014117551B4
Application number: DE102014117551.4A
Authority: DE
Inventors: Felix Möller; Jens-Uwe Müller
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2034-11-29
Also published as: DE102014117551A1

Abstract

Mehrfachdrossel mit einem Kern, die mindestens einen ersten Kernabschnitt (10) und einen zweiten Kernabschnitt (20) aufweist, wobei- der erste Kernabschnitt (10) und der zweite Kernabschnitt (20) E-förmig mit jeweils zwei äußeren Schenkeln (12, 12', 22, 22') und einem Mittelschenkel (12", 22") sind und die Schenkel (12, 12', 12", 22, 22', 22") jeweils zugeordnete Polflächen (13, 13', 13", 23, 23', 23") aufweisen,- der Kern mindestens einen I-förmigen Koppelabschnitt (100) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (110, 120) aufweist, an denen jeweils die Pole (13, 13', 13", 23, 23', 23") des ersten bzw. des zweiten Kernabschnitts (10, 20) anliegen, so dass der Koppelabschnitt (100) mit dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt (10, 20) magnetisch gekoppelt ist,- auf dem ersten Kernabschnitt (10) mindestens eine erste Wicklung umfassend mindestens eine Teilwicklung (11, 11') zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem ersten Kernabschnitt (10) angeordnet ist und- auf dem zweiten Kernabschnitt (20) mindestens eine zweite Wicklung umfassend mindestens eine Teilwicklung (21, 21') zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem zweiten Kernabschnitt (20) angeordnet ist,wobei- der Koppelabschnitt (100) und die Mittelschenkel (12", 22") eine kleinere Querschnittsfläche als die äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') des ersten Kernabschnitts (10) und des zweiten Kernabschnitts (20) aufweisen und dass- die Polflächen (13", 23") der Mittelschenkel (12", 22") gegenüber den Polflächen (13, 13', 23, 23') der äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') hervorstehen, so dass die Polflächen (13", 23") der Mittelschenkel (12", 22") unmittelbar und die Polflächen (13, 13', 23, 23') der äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') über die Luftspalte (111, 111', 121, 121') an dem Koppelabschnitt (100) anliegen, so dass ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung durch Luftspalte (111,111', 121, 121') verringert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachdrossel mit einem Kern mit mindestens einem ersten Kernabschnitt und einem zweiten Kernabschnitt. Dabei sind der erste Kernabschnitt und der zweite Kernabschnitt E-förmig mit jeweils zwei äußeren Schenkeln und einem Mittelschenkel ausgebildet und die Schenkel weisen jeweils zugeordnete Polflächen auf. Der Kern weist zudem mindestens einen I-förmigen Koppelabschnitt mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen auf, an denen jeweils die Pole des ersten bzw. des zweiten Kernabschnitts anliegen, so dass der Koppelabschnitt mit dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt magnetisch gekoppelt ist. Auf dem ersten Kernabschnitt ist mindestens eine erste Wicklung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem ersten Kernabschnitt angeordnet und auf dem zweiten Kernabschnitt mindestens eine zweite Wicklung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem zweiten Kernabschnitt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leistungswandler zum Wandeln einer elektrischen Leistung mit einer Eingangsspannung in eine elektrische Leistung mit mindestens einer Ausgangsspannung.
Leistungswandler können beispielsweise als Gleichspannungswandler, auch DC (Direct Current) / DC-Wandler genannt, aufgebaut sein und werden häufig als Gleichstromeingangsstufe einer Wechselrichterbrücke eines Wechselrichters vorgeschaltet. Der DC/DC-Wandler dient einer Spannungsanpassung einer von einem Photovoltaik (PV) -Generator erzeugten Gleichspannung an eine von der Wechselrichterbrücke als Eingangsspannung benötigte Gleichspannung. Zur Spannungsanpassung werden beispielsweise Hoch- und/oder Tiefsetzsteller verwendet, die üblicher Weise mindestens ein getaktetes Schaltorgan in Verbindung mit einer Induktivität und gegebenenfalls einer Kapazität aufweisen.
Bei einem Leistungswandler der eingangs genannten Art wird eine Eingangsspannung in eine oder mehrere Ausgangsspannungen gewandelt. Bei einem derartigen Leistungswandler ist üblicher Weise in mindestens einer, häufig auch in jeder der stromführenden Leitungen der Eingangsspannung und/oder der Ausgangsspannung eine Induktivität vorgesehen.
Ein Wechselrichter mit einem eingangsseitigen angeordneten symmetrischen DC/DC-Wandler ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2011 051 783 A1 bekannt. In jeder der Gleichspannungsleitungen, über die die eingangsseitige Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, ist eine in Reihe geschaltete Induktivität angeordnet. Dabei ist ausgeführt, dass die Induktivitäten magnetisch miteinander gekoppelt sein können, wodurch eine, gegenüber separaten Induktivitäten, insgesamt kleinere Ausführung der Induktivitäten ermöglicht wird. Details, wie diese magnetische Kopplung ausgeführt ist, werden nicht gegeben.
Die Verwendung von gekoppelten Induktivitäten innerhalb eines Leistungswandlers, hier eines AC (Alternating Current) / DC-Wandlers, ist auch aus der Druckschrift DE 195 378 32 A1 bekannt. Hierbei werden die gekoppelten Induktivitäten innerhalb eines Netzfilters verwendet, durch den ein Eintrag von hochfrequenten Störströmen in ein Wechselstromnetz unterdrückt wird. Bei dem Netzfilter sind zwei Drosselspulen, die die Induktivitäten bilden, auf den beiden äußeren Kernsäulen eines El-förmigen Kerns angeordnet. Alle Kernsäulen des El-förmigen Kerns weisen dabei eine gleiche Querschnittsform und Größe auf.
Aus der Druckschrift US 2002 / 0 075 118 A1 ist eine Mehrfachdrossel mit einem EE-Kern mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen zur Verwendung in einem Filter bekannt. Die Windungen sind auf äußeren Schenkeln der E-Kerne angeordnet, wobei ein Mittelschenkel einen gegenläufigen und sich daher zumindest teilweise kompensierenden Fluss beider Wicklungen aufnimmt und daher einen kleineren Querschnitt aufweisen kann als die äußeren Schenkel.
Eine Mehrfachdrossel mit EE-Kern ist auch aus der Druckschrift DE 10 2011 056 667 A1 bekannt. Hierbei weist der mittlere Schenkel einen größeren Querschnitt als die äußeren Schenkel auf und trägt ebenfalls eine Wicklung. Zwischen allen Polflächen der beiden E-Kerne sind Luftspalte zur Energiespeicherung vorgesehen.
In der Druckschrift DE 10 2014 206 469 A1 ist eine Mehrfachdrossel mit einem EIE-Kern beschrieben, bei dem Wicklungen auf jeweils dem Mittelschenkel der E-förmigen Kernabschnitte angeordnet sind. Die beiden E-förmigen Kernabschnitte sind über den zwischenliegenden I-förmigen Kernabschnitt gekoppelt, wobei zwischen allen angrenzenden Polflächen Luftspalte vorgesehen sind. Die Außenschenkel der E-förmigen Kernabschnitte und der I-förmige Koppelabschnitt weisen einen kleineren Querschnitt auf als die Mittelschenkel der der E-förmigen Kernabschnitte.
Eine ähnliche Anordnung zeigt die Druckschrift US 3 686 561 A wobei in diesem Fall die Mittelschenkel der E-förmigen Kernabschnitte entweder den gleichen oder einen größeren Querschnitt aufweisen als die Außenschenkel. Luftspalte sind hierbei zwischen allen Polflächen eines E-förmigen Kernabschnitts und dem I-förmigen Koppelabschnitt vorgesehen, wohingegen der andere E-förmige Kernabschnitt unmittelbar an dem Koppelabschnitt anliegt.
Auch die Druckschrift US 3 584 290 A zeigt eine Mehrfachdrossel mit einem EIE-Kern, wobei in diesem Fall alle Schenkel der E-förmigen Teilkerne und der I-förmige Kernabschnitt einen gleichen Querschnitt aufweisen. Ein Luftspalt ist hierbei zwischen dem Mittelschenkel und der Basis eines der E-förmigen Teilkerne angeordnet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Mehrfachdrossel der eingangs genannten Art zu schaffen, die mindestens zwei gekoppelte Induktivitäten in kompakter Bauart und mit geringem Materialeinsatz, insbesondere beim Kernmaterial, bereitstellt, wobei ein Übersprechen zwischen den Induktivitäten effektiv verhindert ist. Es ist eine weitere Aufgabe, einen Leistungswandler mit materialsparend aufgebauten Induktivitäten anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Mehrfachdrossel bzw. einen Leistungswandler mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der anhängenden Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Mehrfachdrossel der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass der Koppelabschnitt und der Mittelschenkel eine kleinere Querschnittsfläche als die äußeren Schenkel des ersten Kernabschnitts und des zweiten Kernabschnitts aufweisen. Die Polflächen der Mittelschenkel stehen gegenüber den Polflächen der äußeren Schenkel hervor, so dass die Polflächen der Mittelschenkel unmittelbar und die Polflächen der äußeren Schenkel über Luftspalte an dem Koppelabschnitt anliegen, so dass ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung durch die Luftspalte verringert ist. Der erste bzw. zweite Kernabschnitt eines derartigen Kerns können auf einfache Weise durch Modifikation eines herkömmlichen E-förmigen Kerns hergestellt werden.
Im Betrieb werden die erste und die zweite Wicklung der Mehrfachdrossel vorzugsweise so bestromt, dass die von dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt in den Koppelabschnitt eingekoppelten magnetischen Teilflüsse entgegengesetzt ausgerichtet sind. Durch die Luftspalte werden die erste und die zweite Wicklung und damit auch der erste Kernabschnitt von dem zweiten Kernabschnitt entkoppelt. Dieses bedingt, dass die von den Kernabschnitten in den Koppelabschnitt eingekoppelten magnetischen Teilflüsse auch tatsächlich im Wesentlichen durch den Koppelabschnitt fließen und nicht in den jeweils anderen Kernabschnitt übertreten. Wenn die Ströme, die durch die erste und die zweite Wicklung fließen, von vergleichbarer Größe sind, kompensieren sich die Teilflüsse im Koppelabschnitt. Die verglichen mit den Kernabschnitten kleinere Querschnittsfläche des Koppelabschnitts führt so zu keiner Beeinträchtigung der Größe der magnetischen Flüsse in den Kernabschnitten.
Asymmetrien in der Größe der von der ersten und der zweiten Wicklung erzeugten magnetischen Flüsse im Betrieb der Mehrfachdrossel treten beispielsweise durch hochfrequente Störströme auf, insbesondere durch Gleichtaktströme. die ebenfalls von der Mehrfachdrossel unterdrückt werden sollen. Ein durch diese Störströme im Koppelabschnitt hervorgerufener magnetischer Fluss wird entsprechend nicht kompensiert, so dass die Mehrfachdrossel für diesen Störstrom eine hohe Induktivität zeigt, die den entsprechenden Störstrom dämpft. Die Funktion der Mehrfachdrossel zur Störstromunterdrückung wird somit durch den Koppelabschnitt mit kleinerer Querschnittsfläche nicht beeinträchtigt.
Durch die Anordnung der Luftspalte wird eine bessere Kopplung zwischen den Kernabschnitten und dem Koppelabschnitt erzielt als zwischen den Kernabschnitten. So wird die Kopplung der Kernabschnitte zum Koppelabschnitt bei gleichzeitig geringem Übersprechen zwischen den Kernabschnitten und damit den Wicklungen auf einfache Weise erreicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mehrfachdrossel sind verteilte Luftspalte im Kernmaterial des ersten und/oder des zweiten Kernabschnitts angeordnet. Anstelle von oder zusätzlich zu einzelnen, diskreten Luftspalten kann auch eine Mehrzahl von verteilten Luftspalten vorgesehen sein. Bevorzugt können die verteilten Luftspalte durch Lufteinschlüsse im Kernmaterial gebildet sein. Lufteinschlüsse können beispielsweise in gesintertem Kernmaterial gezielt eingearbeitet sein.
Eine erfindungsgemäße Mehrfachdrossel weist einen kompakten Aufbau auf, insbesondere wenn die beiden E-förmigen Kernabschnitte in einer Ebene liegen. Die mindestens zwei Schenkel eines jeden Kernabschnitts dienen bevorzugt als Träger für die Wicklungen. Falls nicht der Ausdruck „unmittelbar anliegen“ verwendet wird, umfasst dabei im Rahmen der Anmeldung der Begriff „anliegen“ auch einen zwischenliegenden Luftspalt. Weiter wird angemerkt, dass unter einem Luftspalt auch ein mit einem dia- oder paramagnetischen Material gefüllter Spalt zu verstehen ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mehrfachdrossel sind der erste und der zweite Kernabschnitt mit dem Koppelabschnitt in einer Ebene angeordnet und weisen jeweils einen rechteckigen Materialquerschnitt auf, wobei die Tiefe der Kernabschnitte und des Koppelabschnitts sowie ggf. der Mittelschenkel in einer Richtung senkrecht zu der Ebene gleich ist, wohingegen eine Breite des Koppelabschnitts sowie ggf. eine Breite der Mittelschenkel kleiner ist als eine Breite der Kernabschnitte.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mehrfachdrossel sind auf mindestens einem der Kernabschnitte mindesten zwei Teilwicklungen angeordnet, wobei die beiden betreffenden Teilwicklungen untereinander in Reihe geschaltet sind. In einer Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der Mittelschenkel kleiner ist als die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Wicklung jeweils auf den äußeren Schenkel des ersten bzw. des zweiten Kernabschnittes angeordnet sind, so dass etwaige Asymmetrien in der Größe der von den Teilwicklungen der ersten bzw. der zweiten Wicklung erzeugten magnetischen Flüsse einen resultierenden magnetischen Fluss ungleich null in den Mittelschenkeln erzeugen, der jedoch erwartungsgemäß deutlich kleiner ist als der resultierende magnetische Fluss in dem Koppelabschnitt, der durch Störströme in der ersten und zweiten Wicklung erzeugt wird.
Darüber hinaus können auch die erste Wicklung und die zweite Wicklung untereinander in Reihe geschaltet sein. Durch Verwendung mehrerer Teilwicklungen auf einem Kernabschnitt kann der auf dem Kernabschnitt zur Verfügung stehende Wickelraum besonders gut ausgeschöpft werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mehrfachdrossel sind mindestens einer der Kernabschnitte und zumindest ein Teil des Koppelabschnitts als Schnittbandkern ausgebildet. Bevorzugt sind mindestens zwei rechteckförmige innere Schnittbandkerne nebeneinander angeordnet und werden von einem rechteckförmigen äußeren Schnittbandkern eingefasst. Auf diese Weise kann z.B. die Geometrie eines UIU-Kerns durch ineinander geschachtelte Schnittbandkerne gebildet werden. Ein Schnittbandkern wird durch Aufwickeln eines dünnen Bandes des Kernmaterials geformt. Bei geeignet gewählten und unterschiedlichen Wickeldicken der inneren und des äußeren Schnittbandkerns werden Kernabschnitte und ein Koppelabschnitt gebildet, wobei der Koppelabschnitt eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Kernabschnitte.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Mehrfachdrossel fasst der rechteckförmige äußere Schnittbandkern zwei nebeneinander angeordnete Teilkerne ein, die jeweils zwei nebeneinander angeordnete rechteckförmige innere Schnittbandkerne aufweisen und jeweils von einem weiteren Schnittbandkern eingefasst sind. Dadurch entsteht ein EIE-förmiger Kern, dessen Mittelschenkel jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerneaufweisen, während der Koppelabschnitt jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne und jeweils eine Seitenfläche des weiteren Schnittbandkerns aufweist und somit eine größere Querschnittsfläche als die Mittelschenkel aufweist. Die äußeren Schenkel weisen jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne, jeweils eine Seitenfläche des weiteren Schnittbandkerns und den äußeren Schnittbandkern auf, so dass die Querschnittsfläche der äußeren Schenkel größer ist als die Querschnittsfläche der Mittelschenkel und die des Koppelabschnitts.
Ein erfindungsgemäßer Leistungswandler zum Wandeln einer elektrischen Leistung mit mindestens einer Eingangsspannung in eine elektrische Leistung mit mindestens einer Ausgangsspannung weist mindestens eine derartige Mehrfachdrossel auf. Diese kann bei dem Leistungswandler eingangsseitig und/oder ausgangsseitig angeordnet sein, wobei die mindestens eine erste Wicklung und die mindestens eine zweite Wicklung der Mehrfachdrossel in einer oder mehreren Eingangs- und/oder Ausgangsleitungen des Leistungswandlers angeordnet sind. Der Leistungswandler kann z.B. als DC/DC- oder DC/AC-Wandler ausgebildet sein.
Die Mehrfachdrossel eignet sich besonders für einen Leistungswandler, bei dem je eine der Wicklungen der Mehrfachdrossel in je eine von zwei Ein- oder Ausgangsleitungen eingeschleift ist. Beide Wicklungen werden dann - bis auf asymmetrische Störsignale - von gleich großen Strömen durchflossen. Entsprechend ist die Voraussetzung für ein Kompensieren der magnetischen Teilflüsse im Koppelabschnitt gegeben. Die im Zusammenhang mit der Mehrfachdrossel genannten Vorteile z.B. der Materialeinsparung gelten entsprechend auch für den Leistungswandler.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrfachdrossel;
2 die Mehrfachdrossel der 1 mit eingezeichneten magnetischen Flusslinien;
3 ein schematisches Schaltbild eines symmetrischen DC/DC-Wandlers mit einer Mehrfachdrossel;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrfachdrossel;
5 die Mehrfachdrossel der 4 mit eingezeichneten magnetischen Flusslinien;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrfachdrossel in einem ersten Ausführungsbeispiel;
7 die Mehrfachdrossel der 6 mit eingezeichneten magnetischen Flusslinien; und
8 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrfachdrossel in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein erstes Beispiel einer Mehrfachdrossel mit einem Kern. Der Kern ist in diesem Beispiel als ein UIU-Kern ausgebildet, der einen ersten U-förmigen Kernabschnitt 10 und einen zweiten ebenfalls U-förmigen Kernabschnitt 20 aufweist sowie einen I-förmigen Koppelabschnitt 100. Der erste Kernabschnitt 10, der zweite Kernabschnitt 20 und der Koppelabschnitt 100 liegen in einer Ebene. 1 ist eine Schnittdarstellung entlang dieser Ebene.
Auf dem ersten Kernabschnitt 10 ist eine erste Wicklung angeordnet, die vorliegend die Teilwicklungen 11 bzw. 11' umfasst. Der U-förmige erste Kernabschnitt 10 weist zwei Schenkel 12, 12' auf, wobei jeder der Schenkel 12, 12' eine der Teilwicklungen 11, 11' trägt. Die erste Wicklung ist geeignet, im ersten Kernabschnitt 10 einen magnetischen Fluss zu erzeugen. 2 stellt in gleicher Weise wie 1 die Mehrfachdrossel des ersten Beispiels dar, wobei in der 2 magnetische Flüsse innerhalb der verschiedenen Kernabschnitte 10, 20 bzw. innerhalb des Koppelabschnitts 100 durch Pfeile symbolisiert sind.
Symmetrisch zu den Teilwicklungen 11, 11' der ersten Wicklung ist auf jedem Schenkel 22, 22' des zweiten Kernabschnitts 20 eine zweite Wicklung, umfassend die Teilwicklungen 21, 21', angeordnet, die der Erzeugung eines zweiten magnetischen Flusses in dem zweiten Kernabschnitt 20 dient. Die Anordnung von der jeweils zwei Teilwicklungen 11, 11' und 21, 21' umfassenden ersten bzw. zweiten Wicklung ist rein beispielhaft. Eine derartige Mehrfachdrossel kann mit jeder Art von Wicklung oder Kombination mehrerer Teilwicklungen auf dem ersten bzw. zweiten Kernabschnitt 10, 20 aufgebaut sein, die in dem jeweiligen Kernabschnitt 10, 20 jeweils einen ersten bzw. zweiten magnetischen Fluss aufbauen können. Beispielsweise ist es möglich, auf jedem der Kernabschnitte 10, 20 nur eine Wicklung vorzusehen, die dann beispielsweise an der jeweiligen Basis des U-förmigen ersten bzw. zweiten Kernabschnitts 10, 20 angeordnet sein kann. Werden, wie im dargestellten Beispiel, mehrere Teilwicklungen umfassende Wicklungen auf den Kernabschnitten 10, 20 verwendet, sind diese im Betrieb üblicherweise derart verschaltet, dass die von ihnen bereitgestellten Teilflüsse in dem jeweiligen Kernabschnitt die gleiche Richtung aufweisen und sich somit innerhalb des jeweiligen Kernabschnitts 10, 20 addieren und nicht kompensieren.
Der erste Kernabschnitt 10 und der zweite Kernabschnitt 20 der Mehrfachdrossel weisen gleiche Querschnittsflächen auf. Bezüglich ihrer Geometrie sind die Querschnittsflächen bei dem dargestellten Beispiel rechteckig oder quadratisch mit einer Breite d der Querschnittsfläche in der in 1 dargestellten Schnittebene und einer in der Figur nicht gekennzeichneten Tiefe der Querschnittsfläche senkrecht zur dargestellten Schnittebene.
Die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts 100 ist gegenüber der Querschnittsfläche der Kernabschnitte 10, 20 bei ebenfalls rechteckiger Geometrie der Querschnittsfläche kleiner. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel haben die Kernabschnitte 10, 20 und der Koppelabschnitt 100 jeweils die gleiche Tiefe ihrer Querschnittsfläche in der Richtung senkrecht zur dargestellten Schnittebene. Der Koppelabschnitt weist jedoch in der Schnittebene eine Breite b seiner Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als die Breite d der Querschnittsfläche der Kernabschnitte 10, 20.
Zudem sind zwischen dem ersten Kernabschnitt 10 und dem Koppelabschnitt 100 und zwischen dem Koppelabschnitt 100 und dem zweiten Kernabschnitt 20 Luftspalte 111 bzw. 111' und 121 bzw. 121' angeordnet. Der erste Kernabschnitt 10 weist mit Polflächen 13, 13' seiner Schenkel 12, 12' zu einer Seitenfläche 110 des Koppelabschnitts 100 hin. Zwischen den Polflächen 13, 13' und der Seitenfläche 110 ist jeweils ein Luftspalt 111 bzw. 111' mit einer Luftspaltbreite δ ausgebildet. Entsprechend weisen Polflächen 23, 23' der Schenkel 22 und 22' des zweiten Kernabschnitts 20 auf eine der Seitenfläche 110 gegenüberliegende Seitenfläche 120 des Koppelabschnitts 100 zu und sind von dieser Seitenfläche 120 durch jeweils einen Luftspalt 121 bzw. 121' um die gleiche Luftspaltbreite δ beabstandet.
Die Luftspalte 111, 111' und 121, 121' verringern ein Übersprechen zwischen den ersten Wicklungen 11, 11' und den zweiten Wicklungen 21, 21'. Dieses ist in 2 anhand der sich einstellenden magnetischen Flüsse illustriert. 2 gibt dabei eine Situation wieder, in der die in den Kernabschnitten 10, 20 erzeugten magnetischen Flüsse gleichgerichtet sind, im vorliegenden Fall also beide im Uhrzeigersinn verlaufen, und gleich groß sind. Ausgehend von den durch die Teilwicklungen 11,11', 21,21' der ersten bzw. zweiten Wicklung induzierten ersten und zweiten magnetischen Flüssen bildet sich jeweils ein innerer magnetischer Kreis aus, der durch den jeweiligen Kernabschnitt 10, 20 und längs durch den Koppelabschnitt 100 verläuft. Die Teilflüsse des ersten bzw. zweiten magnetischen Flusses, die innerhalb des Koppelabschnitts 100 verlaufen, sind in der 2 mit Flusspfeilen Φ'₁ und Φ'₂ dargestellt. Innerhalb des Koppelabschnitts 100 verlaufen die Teilflüsse Φ₁' und Φ₂' gegensinnig und kompensieren sich. Unter der Annahme, dass die im ersten bzw. im zweiten Kernabschnitt 10, 20 erzeugten ersten und zweiten magnetischen Flüsse gleich groß sind und die Luftspalte 111,111' bzw. 121,121' gleiches Spaltmaß δ aufweisen, heben sich die Teilflüsse Φ'₁ und Φ'₂ im Koppelabschnitt 100 auf und resultieren in einem Nettofluss von null im Koppelabschnitt 100.
Nach Eintritt des ersten magnetischen Flusses in den Koppelabschnitt 100, beispielsweise von der Polfläche 13 des ersten Kernabschnitts 10 in die Seitenfläche 110 des Koppelabschnitts 100, teilt sich der übergetretene magnetische Fluss auf in den Anteil Φ'₁ , der durch den Koppelabschnitt 100 fließt, sowie einen weiteren Anteil, der über den Luftspalt 121 in den zweiten Kernabschnitt 20 übergeht. Dieser Anteil ist in der 2 als Teilfluss Φ''₁ dargestellt. Dieser Anteil bildet einen Teil eines äußeren magnetischen Kreises (gestrichelt dargestellt), der durch den ersten Kernabschnitt 10, quer durch den Koppelabschnitt 100 und durch den zweiten Kernabschnitt 20 verläuft. Ein entsprechender Teil des im zweiten Kernabschnitts 20 erzeugten zweiten magnetischen Flusses dringt über den Koppelabschnitt 100 in den ersten Kernabschnitt 10 ein und trägt dort mit einem Teilfluss Φ''₂ (punktiert dargestellt) ebenfalls zum Fluss im äußeren magnetischen Kreis bei.
Da der erste und der zweite Kernabschnitt 10, 20 jedoch jeweils über zwei Luftspalte der Luftspaltbreite δ getrennt sind, hemmen alle vier Luftspalte 111,121,121', 111' den magnetischen Fluss, sodass der resultierende magnetische Fluss (Φ''₁ + Φ''₂) in dem äußeren magnetischen Kreis klein gegenüber den magnetischen Teilflüssen Φ'₁ bzw. Φ'₂ ist. Das bedeutet, dass ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung, das aus einer Kopplung über den Fluss im äußeren magnetischen Kreis herrührt, entsprechend klein ist.
Da der Nettofluss im Koppelabschnitt 100 durch die Kompensation der Teilflüsse Φ'₁ und Φ'₂ bei vollständiger Kompensation gleich null ist, kann der Koppelabschnitt 100 eine kleinere Querschnittsfläche haben, als die Kernabschnitte 10, 20, ohne dass die ersten und zweiten magnetischen Flüsse in den Kernabschnitten 10, 20 davon beeinträchtigt sind.
Ein Nettofluss ungleich null stellt sich im Koppelabschnitt 100 dann ein, wenn der im ersten Kernabschnitt 10 erzeugte erste magnetische Fluss und im zweiten Kernabschnitt 20 erzeugte zweite magnetische Fluss nicht von gleicher Größe sind und/oder nicht in die gleiche Richtung weisen. Wenn beispielsweise Asymmetrien in der Größe der magnetischen Flüsse im Betrieb der Mehrfachdrossel auftreten, ist die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts 100 so zu wählen, dass ein sich aus den Asymmetrien ergebender Nettofluss im Koppelabschnitt 100 aufgenommen werden kann, ohne dass die Größe der magnetischen Flüsse in dem ersten bzw. zweiten Kernabschnitt 10, 20 davon beeinträchtigt wird, d.h. insbesondere ohne dass Sättigungseffekte im Koppelabschnitt 100 auftreten.
In 3 ist ein symmetrischer Gleichspannungswandler in einem schematischen Schaltbild als eine mögliche Anwendung der Mehrfachdrossel, beispielsweise gemäß der 1 oder 2, dargestellt.
Der Gleichspannungswandler wandelt eine an Eingängen bereitgestellte und vorliegend durch eine Batterie symbolisierte Gleichspannung in der Größe U₀ in zwei Gleichspannungen U₁ und U₂, die um einen Mittelabgriff M liegen. Die Gleichspannungen U₁, U₂ werden an Kondensatoren C₁ bzw. C₂, die einen Gleichspannungszwischenkreis bilden, bereitgestellt und können sich symmetrisch oder asymmetrisch ausbilden, wobei letzteres insbesondere bei Verwendung des Gleichspannungswandlers zur Versorgung unterschiedlicher Lasten regelmäßig auftritt. Lastwiderstände R₁ und R₂ stellen symbolisch an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Stromsenken dar. Der Gleichspannungswandler umfasst zwei symmetrisch zueinander aufgebaute Kreise, von denen jeder zwei in Serie geschaltete Halbleiterschalter S₁, S₂ bzw. S₃, S₄ aufweist. Die Serienschaltung der Halbleiterschalter S₁, S₂ bzw. S₃, S₄ ist jeweils parallel zum Kondensator C₁ bzw. C₂ des Zwischenkreises geschaltet. Die Eingangsgleichspannung ist über jeweils eine Induktivität L₁, L₂ an jeweils einen Mittelabgriff der Serienschaltung der Halbleiterschalter S₁, S₂ bzw. S₃, S₄ angeschlossen.
Die Induktivitäten L₁ und L₂ werden von der ersten Wicklung bzw. der zweiten Wicklung einer Mehrfachdrossel bereitgestellt. Jeder Induktivität L₁, L₂ ist ein Kernabschnitt 10, 20 zugeordnet, die wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben, über einen Koppelabschnitt 100 miteinander gekoppelt sind.
Der Wickelsinn der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung, insbesondere der Teilwicklungen 11, 11' der ersten Wicklung und der Teilwicklungen 21, 21' der zweiten Wicklung gemäß 1, sowie die Verschaltung der Induktivitäten L₁, L₂ im Gleichspannungswandler bedingen, dass sich die magnetischen Flüsse im Koppelabschnitt 100 im Normalbetrieb des Gleichspannungswandlers aufheben. Treten jedoch Gleichtaktstörungen in den Induktivitäten L₁ und L₂ auf, die beispielsweise eingangsseitig über die Gleichspannungsquelle U₀ oder ausgangsseitig über die Stromsenken R₁, R₂ eingekoppelt werden, resultieren diese in einem Nettofluss im Koppelabschnitt 100, der ungleich null ist. Dieser Nettofluss koppelt für die Gleichtaktstörungen die ersten und zweiten Wicklungen 'konstruktiv und stellt eine Induktivität dar, wodurch die Gleichtaktstörungen gedämpft werden.
Da die mit den Gleichtaktstörungen verbundenen Ströme klein sind gegenüber den Betriebsströmen, ist auch der von den Gleichtaktstörungen hervorgerufene magnetische Nettofluss im Koppelabschnitt 100 vergleichsweise klein gegenüber den magnetischen Flüssen in den Kernabschnitten 10, 20, weswegen eine kleinere Querschnittsfläche für den Koppelabschnitt 100 verglichen mit den Kernabschnitten 10, 20 gewählt werden kann.
Die konkrete Auslegung des Koppelabschnitts 100 orientiert sich dabei an den zu erwartenden Asymmetrien zwischen den Strömen durch die erste und die zweite Wicklung, die beispielsweise von Ableitströmen hervorgerufen werden können, und die dadurch voraussichtlich maximal erzeugten Nettoflüsse im Koppelabschnitt 100. Diese Nettoflüsse sollten einerseits nicht zu einer Sättigung des Koppelabschnittes 100 führen, während andererseits der Koppelabschnitt 100 nicht zur Aufnahme von Nettoflüssen ausgelegt werden muss, die größer als die in einer konkreten Anwendung zu erwartenden Nettoflüsse sind. Konkret kann beispielsweise ein Koppelabschnitt mit einer Querschnittsfläche, deren Größe etwa 10 % der Größe der Querschnittsfläche des ersten Kernabschnitts 10 bzw. des zweiten Kernabschnitts 20 beträgt, Nettoflüsse aufnehmen, die von Asymmetrien zwischen den Strömen durch die erste und die zweite Wicklung hervorgerufen werden, die etwa 5 % des Nennstromes betragen, auf den die Induktivitäten L₁ und L₂ ausgelegt sind. Für einen konkreten Anwendungsfall liegt eine bevorzugte Größe der Querschnittsfläche des Koppelabschnitts 100 daher zwischen etwa 10 % und 75 % der Fläche des ersten Kernabschnitts 10 bzw. des zweiten Kernabschnitts 20.
In den 4 und 5 ist ein zweites Beispiel einer Mehrfachdrossel in gleicher Weise wie in den 1 und 2 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesen wie in den folgenden Figuren gleiche bzw. gleichwirkende Elemente wie bei den 1 und 2.
Bei der Mehrfachdrossel des zweiten Beispiels sind der erste und der zweite Kernabschnitt 10, 20 zueinander spiegelbildlich angeordnete E-förmige Kerne, zwischen denen wiederum ein Koppelabschnitt 100 angeordnet ist. Die E-förmigen Kernabschnitte 10, 20 weisen jeweils zwei äußere Schenkel 12, 12' bzw. 22, 22' sowie einen Mittelschenkel 12" und 22" auf. Bei dem dargestellten Beispiel ist auf jedem der Kernabschnitte 10, 20 nur eine einteilige Wicklung 11, 21 vorgesehen, die auf dem jeweiligen Mittelschenkel 12", 22" angeordnet ist. Es versteht sich, dass auch bei diesem Beispiel weitere (Teil-)Wicklungen auf jedem der Kernabschnitte 10, 20 vorgesehen sein können, beispielsweise auf einem der beiden der äußeren Schenkel 12, 12' bzw. 22, 22'.
Zwischen dem ersten Kernabschnitt 10 und dem Koppelabschnitt 100 und zwischen dem zweiten Kernabschnitt 20 und dem Koppelabschnitt 100 sind wiederum Luftspalte mit einem einheitlichen Luftspaltbreite δ ausgebildet. Neben Luftspalten 111, 111' und 121, 121' zwischen Polflächen 13, 13', 23. 23' der äußeren Schenkel 12, 12', 22, 22' der Kernabschnitte 10, 20 und dem Koppelabschnitt 100 sind auch Luftspalte 111" und 121" zwischen Polflächen 13" und 23" der Mittelschenkel 12" und 22" und dem Koppelabschnitt 100 vorhanden.
In einer Richtung senkrecht zur dargestellten Schnittebene weisen alle Kernabschnitte 10, 20 und der Koppelabschnitt 100 eine gleiche Tiefe auf. Die Querschnitte der Kernabschnitte 10, 20 und des Koppelabschnitts 100 sind wie beim ersten Beispiel rechteckig. In der dargestellten Schnittebene weisen die Mittelschenkel 12" und 22" des ersten und zweiten Kernabschnitts 10, 20 eine Breite von d auf. Die äußeren Schenkel 12, 12' bzw. 22, 22' weisen dem gegenüber jeweils eine Breite von d/2 auf. Da sich ein von der ersten Wicklung 11 bzw. der zweiten Wicklung 21 erzeugter erster oder zweiter magnetischer Fluss im Mittelschenkel 12" bzw. 22" auf beide äußeren Schenkel 12, 12' bzw. 22, 22' aufteilt, liegt in den verschiedenen Bereichen des ersten bzw. zweiten Kernabschnitts 10, 20 jeweils die gleiche magnetische Flussdichte vor. Demgegenüber ist die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts 100 kleiner als die der Mittelschenkel 12", 22" und auch in diesem Beispiel kleiner als die der äußeren Schenkel 12,12', 22,22' der Kernabschnitte 10, 20.
5 zeigt wiederum die Mehrfachdrossel mit eingezeichneten magnetischen Flüssen in einer Betriebsart, in der die von den Wicklungen 11, 21 erzeugten ersten und zweiten magnetischen Flüsse gleich groß und gleich gerichtet sind. Analog zum ersten Beispiel bilden sich verschiedene magnetische Kreise aus, wobei jeweils ein Hauptkreis mit magnetischen Teilflüssen Φ'₁ , Φ'₂ durch einen jeweiligen Kernabschnitt 10, 20 und den Koppelabschnitt 100 verläuft und es bilden sich äußere magnetische Kreise mit magnetischen Teilflüssen Φ''₁ , Φ''₂ aus, über die die beiden Kernabschnitte 10, 20 über den Koppelabschnitt 100 miteinander verbunden sind. Aufgrund der größeren Zahl von Luftspalten in den äußeren magnetischen Kreisen ist die magnetische Kopplung zwischen dem ersten Kernabschnitt 10 und dem zweiten Kernabschnitt 20 nur gering, wodurch ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung 11 und der zweiten Wicklung 21 reduziert ist.
Aus 5 ist ebenfalls ersichtlich, dass sich in der gezeigten Betriebsweise der Mehrfachdrossel die magnetischen Flüsse entlang des Koppelabschnitts 100 aufheben, und nur Asymmetrien in den magnetischen Flüssen zu einem Nettomagnetfluss im Koppelabschnitt 100 führen würden. Entsprechend kann der Querschnitt des Koppelabschnitts 100 kleiner gewählt werden als die in den Kernabschnitten 10, 20 relevanten Querschnittsflächen.
In den 6 und 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer anmeldungsgemäßen Mehrfachdrossel mit Kern dargestellt. Die Darstellungen sind analog zu den 1 und 2 bzw. 4 und 5 der ersten beiden Beispiele.
Bezüglich der grundsätzlichen Kerngeometrie wird ähnlich wie beim zweiten Beispiel gemäß den 4 und 5 eine EIE-Anordnung verwendet, bei der zwei außenliegende Kernabschnitte, der erste Kernabschnitt 10 und der zweite Kernabschnitt 20, über einen dazwischen liegenden I-förmigen Koppelabschnitt 100 miteinander verbunden sind.
Im Unterschied zum zweiten Beispiel umfassen vorliegend die erste und die zweite Wicklung jeweils zwei Teilwicklungen 11,11' auf den äußeren Schenkeln 12, 12' des ersten Kernabschnitts 10 bzw. zwei Teilwicklungen 21, 21' auf den äußeren Schenkeln 22 und 22' des zweiten Kernabschnitts 20. Zwischen den genannten äußeren Schenkeln 12, 12' und 22, 22' und dem Koppelabschnitt 100 sind wiederum Luftspalte 111, 111' und 121, 121' mit einer Luftspaltbreite δ ausgebildet. Demgegenüber liegen die Polflächen 13", 23" der mittleren Schenkel 12", 22" unmittelbar an den Seiten 110 bzw. 120 des Koppelabschnitts 100 an. Von bekannten, üblicherweise verwendeten E-förmigen Kernen unterscheiden sich der erste bzw. der zweite Kernabschnitt 10, 20 somit darin, dass der jeweilige mittlere Schenkel länger als die jeweiligen äußeren Schenkel ist. Entsprechend kann der erste bzw. zweite Kernabschnitt 10, 20 dieses Ausführungsbeispiels auf einfache Weise durch Modifikation eines herkömmlichen E-förmigen Kerns hergestellt werden.
7 zeigt die Mehrfachdrossel des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 6 wiederum in einer Betriebsart, in der Teilwicklungen 11, 11', 21, 21' der ersten und zweiten Wicklung so bestromt sind, dass sich jeweils ein gleichsinniger, im entsprechenden Kernabschnitt im Uhrzeigersinn ausgerichteter magnetischer Fluss einstellt. Im Unterschied zu beispielsweise dem ersten Beispiel der 1 und 2, bei dem die erste und die zweite Wicklung ebenfalls jeweils zwei Teilwicklungen 11,11', 21,21' umfassen, bilden sich hier einzelne separate magnetische Kreise zu jeder der Teilwicklungen 11, 11', 21, 21' aus. Zur besseren Unterscheidbarkeit tragen die durch Pfeile symbolisierten magnetischen Flüsse in der 7 als Index das Bezugszeichen der jeweiligen, den Fluss hervorrufenden Wicklung.
Wie bei den zuvor dargestellten Beispielen kompensieren sich im Koppelabschnitt 100 die magnetischen Flüsse Φ'₁₁ und Φ'₂₁ sowie Φ'₁ , und Φ'_21' , die von den Teilwicklungen 11, 11' der ersten Wicklung auf den ersten Kernabschnitt 10 bzw. von den Teilwicklungen 21, 21' der zweiten Wicklung auf dem zweiten Kernabschnitt 20 im Koppelabschnitt 100 herrühren. Darüber hinaus kompensieren sich jedoch auch in den Mittelschenkeln 12", 22" des jeweiligen Kernabschnitts 10, 20 die von den Teilwicklungen 11, 11' bzw. 21, 21' eines jeweiligen Kernabschnitts 10, 20 hervorgerufenen magnetischen Flüsse. Aus diesem Grund kann nicht nur der Koppelabschnitt 100 in seinem Querschnitt kleiner gewählt werden als die äußeren Schenkel 12, 12' bzw. 22, 22' der Kernabschnitte 10, 20, sondern es kann auch der Querschnitt des Mittelschenkels 12" bzw. 22" kleiner gewählt werden als der Querschnitt der äußeren Schenkel 12, 12', 22, 22'.Der Querschnitt des Mittelschenkels 12", 22" kann gleich dem Querschnitt des Koppelabschnitts 100 sein. Insbesondere wenn die Teilwicklungen 11, 11' bzw. 21, 21' jeweils in Reihe geschaltet sind kann der Querschnitt des Mittelschenkels 12" bzw. 22" kleiner gewählt werden als der Querschnitt des Koppelabschnitts 100, da die beispielsweise durch Fertigungstoleranzen hervorgerufenen Nettoflüsse in den Mittelschenkeln 12" bzw. 22" aufgrund der Reihenschaltung der jeweiligen Teilwicklungen 11, 11' bzw. 21, 21' kleiner sind als die von Asymmetrien zwischen den Strömen durch die erste und die zweite Wicklung hervorgerufenen Nettoflüsse im Koppelabschnitt 100. Gegenüber dem zweiten Beispiel gemäß den 4 und 5 kann auf diese Weise beim ersten Ausführungsbeispiel zusätzlich Kernmaterial eingespart werden.
Es versteht sich, dass sich auch beim Betrieb einer Anordnung gemäß 6 bzw. 7 äußere magnetische Kreise analog zu den in den 2 und 5 dargestellten ausbilden, über die die beiden Kernabschnitte 10, 20 über den Koppelabschnitt 100 miteinander verbunden sind. Diese äußeren magnetischen Kreise sind der Übersichtlichkeit halber in 7 nicht dargestellt. Aufgrund der größeren Zahl von Luftspalten in den äußeren magnetischen Kreisen ist die magnetische Kopplung zwischen dem ersten Kernabschnitt 10 und dem zweiten Kernabschnitt 20 wiederum nur gering, wodurch ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung reduziert ist.
Beim ersten Beispiel (1 bis 3) und beim ersten Ausführungsbeispiel (6 und 7) der Mehrfachdrossel, bei denen erste und zweite Wicklungen aus jeweils zwei Teilwicklungen 11,11' bzw. 21,21' vorgesehen sind, sind diese Teilwicklungen jeweils räumlich voneinander getrennt. Es versteht sich, dass die mehreren Teilwicklungen der ersten bzw. der zweiten Wicklung auch übereinander, nebeneinander oder teilweise über- und teilweise nebeneinander angeordnet sein können. Darüber hinaus können die Teilwicklungen 11, 11', 21, 21' im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 6 und 7 auch über Kreuz auf den äußeren Schenkeln 12, 12', 22, 22' angeordnet sein, so dass beispielsweise die Teilwicklung 11' der ersten Wicklung auf dem Kernabschnitt 10 und die Teilwicklung 11' auf dem Kernabschnitt 20 angeordnet ist.
In 8 ist ein Beispiel einer Mehrfachdrossel mit Kern dargestellt. Die Darstellung ist wiederum analog zu den 2, 5 und 7 der vorhergehenden Beispiele.
Bezüglich der Kerngeometrie entspricht die Mehrfachdrossel der 8 der in 6 und 7 dargestellten und weist dementsprechend einen Kern mit EIE-Geometrie auf, wobei auf äußeren Schenkeln des E-förmigen ersten bzw. zweiten Kernabschnitts 10, 20 erste bzw. zweite Wicklungen angeordnet sind, die von Teilwicklungen 11, 11' bzw. 21, 21' gebildet sind.
Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Beispielen ist vorliegend der Kern der Mehrfachdrossel aus einem Schnittbandkernmaterial gebildet. Konkret sind vier im wesentlichen rechteckförmige innere Schnittbandkerne 31, 31', 32, 32' in einer Ebene liegend in einem ebenfalls rechteckigen 2x2-Muster angeordnet. Bezogen auf die Darstellung der 8 liegen jeweils die Schnittbandkerne 31 und 31' bzw. 32 und 32' übereinander und die so gebildeten Paare sind nebeneinander angeordnet. Um diese Anordnung der inneren Schnittbandkerne 31, 31', 32, 32' herum verläuft eng anliegend ein ebenfalls rechteckförmiger äußerer Schnittbandkern 30. Die zusammengesetzten Schnittbandkerne 30, 31, 31', 32, 32' werden dann so eingeschnitten, dass Luftspalte 111, 111' bzw. 121, 121" der Luftspaltbreite δ in den äußeren Schenkeln der Kernabschnitte 10, 20 und optional Luftspalte 111", 121" der Luftspaltbreite δ an den inneren Schenkeln gebildet werden. Durch diese Schnitte wird die Anordnung der Schnittbandkerne 30, 31, 31', 32, 32' in die Kernabschnitte 10, 20 und den dazwischenliegenden Koppelabschnitt 100 unterteilt.
Der äußere Schnittbandkern 30 weist eine Breite b₃₀ auf; die inneren Schnittbandkerne 31, 31', 32, 32' eine jeweils gleiche Breite b_{31, 32} . Die Breite b_{31, 32} ist dabei kleiner als die Breite b₃₀ . Da die Breite der Kernabschnitte 10, 20 durch die Summe (b_{31, 32} + b₃₀) und die Breite des Koppelabschnitts 100 an seiner engsten Stelle durch die Summe (b_{31, 32} + b_{31, 32}) = 2 b_{31, 32} gegeben ist, weist bei gleicher Tiefe der Schnittbandkerne 31, 31', 32, 32' der Koppelabschnitt 100 eine kleinere Querschnittsfläche auf als jeder der Kernabschnitte 10, 20.
In dem Beispiel der Mehrfachdrossel gemäß 8 können nur zwei nebeneinanderliegende innere Schnittbandkerne eingesetzt werden, die von einem äußeren Schnittbandkern umgeben sind. Auf diese Weise kann die in dem Beispiel der 1 und 2 gezeigte UIU-Kerngeometrie mit Hilfe der Schnittbandkerne umgesetzt werden.
In einem weiteren Beispiel kann die Mehrfachdrossel gemäß 8 derart aufgebaut sein, dass die in 8 übereinander angeordneten inneren Schnittbandkerne 31, 31' bzw. 32, 32' jeweils von einem weiteren, in 8 nicht dargestellten Schnittbandkern eingefasst sind, so dass ein EIE-förmiger Kern aus zwei nebeneinander angeordnete Teilkerne entsteht. Die Mittelschenkel 12", 22" eines derart aufgebauten EIE-Kerns werden von jeweils einer Seitenfläche der rechteckförmigen inneren Schnittbandkernen 31, 31', 32, 32' gebildet, während der Koppelabschnitt 100 von jeweils einer Seitenfläche der rechteckförmigen inneren Schnittbandkernen 31, 31', 32, 32' und jeweils einer Seitenfläche der weiteren Schnittbandkernes gebildet wird und somit einen größeren Querschnitt als die Mittelschenkel 12", 22" aufweist. Die äußeren Schenkel 12, 12', 22, 22' werden dann von jeweils einer Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne 31, 31', 32, 32', jeweils einer Seitenfläche der weiteren Schnittbandkerne und dem äußere Schnittbandkern 30 gebildet und weisen entsprechend eine Querschnittsfläche auf, die größer als die Querschnittsflächen der Mittelschenkel 12", 22" und die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts 100 ist.
Die Verwendung von Schnittbandkernen erweist sich als besonders vorteilhaft, da derart hergestellte Kerne einfach parallel zum Koppelabschnitt durchgeschnitten werden können, um einerseits Wickelkörper mit den Teilwicklungen 11, 11' bzw. 21, 21' auf den ersten bzw. den zweiten Kernabschnitt 10, 20 aufzuschieben und andererseits den Kern anschließend wieder derart zusammenzufügen, dass die Luftspalte 111, 111' bzw. 121, 121" zwischen den Polen der äußeren Schenkel und dem Koppelabschnitt entstehen, beispielsweise indem entsprechende Abstandshalter eingefügt werden. Die in 8 noch verbleibenden Luftspalte 111" und 121" zwischen den Mittelschenkeln 12", 22" und dem Koppelabschnitt 100 lassen sich beispielsweise durch Einbringen eines geeigneten Materials magnetisch schließen. Aufgrund der Eigenschaft von Schnittbandkernen, im Gegensatz zu Kernen aus massivem Material eine gewisse Flexibilität aufzuweisen, ist es auch möglich, die Luftspalte 111" und 121" durch geeignete Verformung des gesamten Kerns zu schließen, wobei eine anschließende mechanische Fixierung beispielsweise durch Verkleben der Kontaktfläche zwischen den Polen der Mittelschenkel 12'', 22'' und dem Koppelabschnitt 100 oder durch den äußeren Schnittbandkern 30 gewährleistet werden kann.
Vorteilhaft bei der anmeldungsgemäßen Mehrfachdrossel ist eine magnetische Kopplung zwischen dem ersten bzw. zweiten Kernabschnitt und dem Koppelabschnitt, die stärker ist als die Kopplung des ersten Kernabschnitts mit dem zweiten Kernabschnitt.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wurde dieses dadurch erreicht, dass diskrete Luftspalte so angeordnet sind, dass zwischen dem ersten Kernabschnitt und dem Koppelabschnitt bzw. zwischen dem zweiten Kernabschnitt und dem Koppelabschnitt eine geringere Anzahl von Luftspalten liegt, als zwischen dem ersten Kernabschnitt und dem zweiten Kernabschnitt. Dadurch wird erreicht, dass innerhalb eines von ggf. mehreren Hauptkreisen eines magnetischen Flusses, der eine Wicklung bzw. die Teilwicklungen einer Wicklung durchströmt, eine geringere Anzahl an Luftspalten liegt als innerhalb eines äußeren magnetischen Kreises, der beide Wicklungen bzw. Teilwicklungen beider Wicklungen durchströmt und damit zu einem Übersprechen zwischen den Wicklungen beiträgt. Anders ausgedrückt ist der magnetische Widerstand des Hauptkreises größer als der magnetische Widerstand der Teilkreise, wobei aufgrund der Luftspalte der Unterschied zwischen diesen magnetischen Widerständen bevorzugt mehrere Größenordnungen beträgt.
Unter Einhaltung dieses Kriteriums ist es somit nicht zwingend notwendig, dass die Luftspalte immer zwischen dem ersten bzw. zweiten Kernabschnitt und dem Koppelabschnitt angeordnet sind. Genauso ist es denkbar, dass innerhalb der Kernabschnitte, beispielsweise zwischen einer Wicklung und einer Stirnfläche eines der Schenkel Luftspalte angeordnet sind, wohingegen die Schenkel der Kernabschnitte unmittelbar am Koppelabschnitt anliegen.
Auch ist es nicht erforderlich, dass diskrete Luftspalte vorliegen. Genauso ist es denkbar, verteilte Luftspalte, beispielsweise in Form eines porösen Materials innerhalb der Kernabschnitte oder am Übergang zwischen Kernabschnitt und Koppelabschnitt vorzusehen. Bevorzugt weisen dabei der Koppelabschnitt und ggf. die Mittelschenkel dabei allerdings keine verteilten Luftspalte auf.
Eine weitere Optimierung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Drossel ist durch eine Verdoppelung, d.h. durch eine spiegelsymmetrische Ergänzung an einer Außenkante einer der erfindungsgemäßen Drosseln möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass dadurch Sekundäreffekte auftreten, insbesondere eine Erhöhung der Anzahl der Windungen der ersten und der zweiten Wicklung, eine Erhöhung der Baugröße (mit ggf. besseren thermischen Eigenschaften) sowie eine erschwerte Fertigung. Es empfiehlt sich daher, bei einer Optimierung der Drossel unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Prinzips, insbesondere unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Eigenschaften des oder der magnetischen Hauptkreise(s) und der Teilkreise, diese Sekundäreffekte zu beachten.
Bezugszeichenliste

10: erster Kernabschnitt
11, 11': Teilwicklung einer ersten Wicklung
12, 12': erster Schenkel
12": erster Mittelschenkel
13, 13', 13": erste Polfläche
20: zweiter Kernabschnitt
21, 21': Teilwicklungen einer zweiten Wicklung
22, 22': zweiter Schenkel
22": zweiter Mittelschenkel
23, 23', 23": zweite Polfläche
30: äußerer Schnittbandkern
31, 31', 32, 32': innerer Schnittbandkern
100: Koppelabschnitt
110: erste Seitenfläche
111, 111', 111": erster Luftspalt
120: zweite Seitenfläche
121, 121', 121": zweiter Luftspalt
Φ'1, Φ'2: magnetischer Teilfluss in einem Hauptkreis
Φ''1, Φ''2: magnetischer Teilfluss in einem äußeren magnetischen Kreis
Φ'11, Φ'21: magnetischer Teilfluss in einem Hauptkreis einer Teilwicklung
Φ'11', Φ'21': magnetischer Teilfluss in einem Hauptkreis einer Teilwicklung
b: Breite des Koppelabschnitts
d: Breite des ersten/zweiten Kernabschnitts
b30: Breite des äußeren Schnittbandkerns
b31, 32: Breite der inneren Schnittbandkerne
δ: Spaltmaß

Claims

Mehrfachdrossel mit einem Kern, die mindestens einen ersten Kernabschnitt (10) und einen zweiten Kernabschnitt (20) aufweist, wobei - der erste Kernabschnitt (10) und der zweite Kernabschnitt (20) E-förmig mit jeweils zwei äußeren Schenkeln (12, 12', 22, 22') und einem Mittelschenkel (12", 22") sind und die Schenkel (12, 12', 12", 22, 22', 22") jeweils zugeordnete Polflächen (13, 13', 13", 23, 23', 23") aufweisen, - der Kern mindestens einen I-förmigen Koppelabschnitt (100) mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (110, 120) aufweist, an denen jeweils die Pole (13, 13', 13", 23, 23', 23") des ersten bzw. des zweiten Kernabschnitts (10, 20) anliegen, so dass der Koppelabschnitt (100) mit dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt (10, 20) magnetisch gekoppelt ist, - auf dem ersten Kernabschnitt (10) mindestens eine erste Wicklung umfassend mindestens eine Teilwicklung (11, 11') zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem ersten Kernabschnitt (10) angeordnet ist und - auf dem zweiten Kernabschnitt (20) mindestens eine zweite Wicklung umfassend mindestens eine Teilwicklung (21, 21') zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem zweiten Kernabschnitt (20) angeordnet ist, wobei - der Koppelabschnitt (100) und die Mittelschenkel (12", 22") eine kleinere Querschnittsfläche als die äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') des ersten Kernabschnitts (10) und des zweiten Kernabschnitts (20) aufweisen und dass - die Polflächen (13", 23") der Mittelschenkel (12", 22") gegenüber den Polflächen (13, 13', 23, 23') der äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') hervorstehen, so dass die Polflächen (13", 23") der Mittelschenkel (12", 22") unmittelbar und die Polflächen (13, 13', 23, 23') der äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') über die Luftspalte (111, 111', 121, 121') an dem Koppelabschnitt (100) anliegen, so dass ein Übersprechen zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung durch Luftspalte (111,111', 121, 121') verringert ist.
Mehrfachdrossel nach Anspruch 1, bei der verteilte Luftspalte im Kernmaterial des ersten und/oder des zweiten Kernabschnitts (10, 20) angeordnet sind.
Mehrfachdrossel nach Anspruch 2, bei der die verteilten Luftspalte durch Lufteinschlüsse im Kernmaterial gebildet sind.
Mehrfachdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste und der zweite Kernabschnitt (10, 20) mit dem Koppelabschnitt (100) in einer Ebene angeordnet sind und jeweils einen rechteckigen Materialquerschnitt aufweisen, wobei die Tiefe der Kernabschnitte (10, 20) und des Koppelabschnitts (100) sowie ggf. der Mittelschenkel (12", 22") in einer Richtung senkrecht zu der Ebene gleich ist, wohingegen eine Breite (b) des Koppelabschnitts (100) sowie ggf. eine Breite der Mittelschenkel (12", 22") kleiner ist als eine Breite (d) der Kernabschnitte (10, 20).
Mehrfachdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der auf mindestens einem der Kernabschnitte (10, 20) mindesten zwei Teilwicklungen (11, 11', 22, 22') angeordnet sind, wobei die beiden betreffenden Teilwicklungen (11, 11', 22, 22') untereinander in Reihe geschaltet sind.
Mehrfachdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Querschnittsfläche der Mittelschenkel (12", 22") kleiner ist als die Querschnittsfläche des Koppelabschnitts (100).
Mehrfachdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die erste Wicklung und die zweite Wicklung untereinander in Reihe geschaltet sind.
Mehrfachdrossel nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 7, jedoch nicht rückbezogen auf A3, bei der mindestens einer der Kernabschnitte (10, 20) und zumindest ein Teil des Koppelabschnitt (100) von einem Schnittbandkern gebildet ist.
Mehrfachdrossel nach Anspruch 8, bei der mindestens vier rechteckförmige innere Schnittbandkerne (31, 31', 32, 32') nebeneinander angeordnet sind und von einem rechteckförmigen äußeren Schnittbandkern (30) eingefasst sind.
Mehrfachdrossel nach Anspruch 9, bei der der rechteckförmige äußere Schnittbandkern (30) zwei nebeneinander angeordnete Teilkerne einfasst, die jeweils zwei nebeneinander angeordnete rechteckförmige innere Schnittbandkerne (31, 31', 32, 32') aufweisen und jeweils von einem weiteren Schnittbandkern eingefasst sind, so dass ein EIE-förmiger Kern entsteht, wobei - die Mittelschenkel (12", 22") jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne (31, 31', 32, 32') aufweisen, - der Koppelabschnitt (100) jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne (31, 31', 32, 32') und jeweils eine Seitenfläche der weiteren Schnittbandkerne aufweist, und - die äußeren Schenkel (12, 12', 22, 22') jeweils eine Seitenfläche der inneren Schnittbandkerne (31, 31', 32, 32'), jeweils eine Seitenfläche der weiteren Schnittbandkerne und den äußeren Schnittbandkern (30) aufweisen.
Leistungswandler zum Wandeln einer elektrischen Leistung mit mindestens einer Eingangsspannung in eine elektrische Leistung mit mindestens einer Ausgangsspannung, aufweisend mindestens eine Mehrfachdrossel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Leistungswandler nach Anspruch 11, bei dem die Mehrfachdrossel eingangsseitig und/oder ausgangsseitig angeordnet ist, wobei die mindestens eine erste Wicklung und die mindestens eine zweite Wicklung der Mehrfachdrossel in einer oder mehreren Eingangs- und/oder Ausgangsleitungen des Leistungswandlers angeordnet sind.
Leistungswandler nach Anspruch 11 oder 12, ausgebildet als DC/DC- oder DC/AC-Wandler.