DE102017004279A1

DE102017004279A1 - Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement

Info

Publication number: DE102017004279A1
Application number: DE102017004279.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Selbstinduktion ist neben ungünstigen Kerneigenschaften der Hauptgrund, warum sich gegenwärtige Transformatoren vorwiegend für niedrige Frequenzen eignen.Das erfindungsgemäße Wandlerelement verringert die Selbstinduktion wesentlich durch einen bifilaren Aufbau. D.h., die Wicklungen von Primär-(a) und Sekundärleiter (b) sind nicht räumlich getrennt, sondern ineinanderliegend in einer einzigen Spule. Dabei befindet sich in unmittelbarer Nähe jedes Primärleiters mindestens ein Sekundärleiter und umgekehrt. Das Auftreten einander benachbarter Leiter derselben Kategorie (aa, bb, aaa, ...) ist zu vermeiden. Daher weist jede Spule in horizontaler und/oder vertikaler Richtung die Leiterfolge '..ababa...' auf.Die Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärspannung liegt sehr nahe oder genau bei 0° und scheint weitestgehend lastunabhängig zu sein.Das Wandlerelement kann mit oder ohne Kern aufgebaut werden.

Description

Stand der Technik
Die derzeitigen induktiven Wandlerelemente (Transformatoren, Übertrager, Koppelelemente) weisen intrinsische Beschränkungen auf, die sie für höhere Frequenzen weitgehend ungeeignet machen. Dazu zählen im besonderen Selbstinduktion und ungünstige Kerneigenschaften, neben Wirbelströmen u.ä..
Eine Möglichkeit zur weitgehenden Eliminierung der Selbstinduktion ist die bifilare Wicklung, d.h., die Anbringung eines Rückleiters in unmittelbarer Nähe eines Hinleiters. Dieser Aufbau wird derzeit ausschließlich bei Widerständen angewendet, die so eine außerordentlich niedrige Selbstinduktion aufweisen. Dabei sind beide Leiter galvanisch miteinander verbunden, so daß einer den Hinstrom und der andere den Rückstrom führt.
Die gelegentlich zu findende Behauptung, daß durch bifilaren Aufbau das Magnetfeld ‚beseitigt‘ wird (Gobrecht, H. (Hg.), Bergmann-Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. II, 6. Aufl., Berlin, 1971) wird im folgenden nicht berücksichtigt. Dagegen wird angenommen, daß die Magnetfelder sowohl des Hin- wie des Rückleiters noch existieren. Dabei induziert ein zunehmender Strom im Hin- und/oder Rückleiter eine in Flußrichtung wirkende Spannung im jeweils anderen Leiter, während abnehmende Ströme jeweils hemmende Spannungen induzieren.
Beschreibung
Das erfindungsgemäße bifilar aufgebaute induktive Wandlerelement besteht wie üblich aus zwei Kategorien von Leitern, nämlich Primär-(a) und Sekundärleiter (b), die typischerweise galvanisch voneinander getrennt sind. Der wesentliche Unterschied zu üblichen Transformatoren ist, daß Primär- und Sekundärwicklung (-en) nicht räumlich voneinander getrennt, sondern ineinanderliegend ausgeführt sind und eine einzige Spule bilden. Dabei müssen sich stets Leiter unterschiedlicher Kategorien in unmittelbarer Nähe zueinander befinden bzw. magnetisch benachbart sein. D.h., daß ein Primärleiter (a) stets neben einem oder mehreren Sekundärleitern (b) verläuft und umgekehrt. Die typische waagerechte und/oder senkrechte Aufeinanderfolge von Leitern ist somit '..ababa...'.
Die unmittelbare Nähe von zwei oder mehr Leitern derselben Kategorie (aa, bb, aaa, ...) ist wegen der resultierenden Selbstinduktion zu vermeiden.
Leiterwindungen bzw. -bereiche derselben Kategorie können in vielfacher Weise parallel oder seriell geschaltet werden, um die erwünschten Übersetzungsverhältnisse für Strom/Spannung zu erreichen. Grundsätzlich zu berücksichtigen ist, daß, zumindest bei kernloser Ausführung des Wandlerelements, nur in diejenigen Sekundärleiter Strom/Spannung induziert wird, in deren Nähe ein stromführender Primärleiter verläuft. Eine teilweise Abschaltung im Primärbereich wird zum Ausfall der benachbarten Sekundärleiter führen.
Der mehrlagige Aufbau der aus Primär- und Sekundärwicklung (-en) gebildeten Spule ist auf mehrere Arten möglich. Zunächst kann mittels einer Präzisionswicklung die sowohl waagerechte wie senkrechte Leiterfolge '..ababa...' sichergestellt werden, wobei allerdings eine störende diagonale Beeinflussung von Leitern gleicher Kategorie auftreten kann.
Im Normalfall wird man aber versuchen, die magnetische Beeinflussung der Lagen untereinander zu verhindern oder zu verringern. Dies ist einmal mittels mechanischer Abstandshalter möglich, welche die Induktion entsprechend der zunehmenden Abstände der Lagen verringern. Zum anderen kann das Übergreifen des magnetischen Feldes verringert werden, entweder durch Material hoher Permeabilität oder hoher elektrischer Leitfähigkeit, wobei im zweiten Fall die entstehenden Wirbelströme ihrer Ursache entgegenwirken. Ebenfalls möglich ist es, mehrere, mit Flachmaterial (z.B. Cu-, Al-Band) bifilar gewickelte, einlagige Flach- oder Radialspulen (radiale Leiterfolge ..ababa...) in axialer Richtung aneinanderzureihen.
Besonders einfach herzustellen sind einlagige Zylinderspulen mit drahtförmigen Leitern, sowie radiale Doppelspiralen mit Band- bzw. flachen Leitern. Für hohe Frequenzen ist darüberhinaus an Flachspulen, spiralförmig oder rechteckig, Doppelwendel u.ä., sowie an Metall- oder Kohlenstoffschichten bzw. dotierte Halbleiter als Leiter zu denken.
Hervorzuheben ist, daß die Phasenverschiebung von Primär- und Sekundärspannung praktisch 0° beträgt und sich offenbar auch bei moderater Belastung nicht ändert. Dabei wird der Wicklungssinn entsprechend der üblichen Betrachtungsweise als gleichsinnig eingestuft.
Wenn die Primärspannung so nachgeführt wird, daß eine gleichphasige Sekundärspannung resultiert, sollten beide Spannungen eine relativ reine Sinusform aufweisen. Dasselbe Ergebnis müßte sich bei der aus praktischen Gründen sinnvollen gegenphasigen Anschaltung der Sekundärspannung auf einen Inverter einstellen.
Das Magnetfeld des Wandlerelements entspricht trotz der zweidrähtigen, bifilaren Wicklung dem einer eindrähtigen Spule des jeweiligen Typs (Flach-, Zylinder-, ...). Damit ist es aber auch möglich, im Gegensatz zum bifilaren Aufbau mit Hin- und Rückstrom, die magnetische Induktion durch einen Kern bzw. Material hoher Permeabilität zu vergrößern. Das Material kann dabei sowohl einseitig wie auch beiderseits der Wicklung bzw. innen/außen angebracht sein, wobei zusätzlich noch die Option des zumindest partiellen magnetischen Schlusses beider Seiten besteht.
Beim Einbringen eines Eisenkerns in den Innenraum einer Zylinderspule erhöhen sich sowohl die sekundär induzierte wie auch die an der Primärwicklung abfallende Spannung relativ stark. Das Hinzufügen von Kernblechen im Außenbereich führt zu einem weiteren, geringen Anstieg, der durch Herbeiführung eines zumindest teilweisen magnetischen Schlusses beider Bereiche erwartungsgemäß noch deutlich verstärkt werden kann.
Bei der Phasenverschiebung ist durchgehend keine Abweichung von 0° erkennbar.
Für die durchgeführten Messungen und Abschätzungen standen im besonderen folgende Spulen zur Verfügung: Zylinder-Luftspule, ∅ 6 cm, 1=14 cm, 2x180 Windungen, 0,35 CuL, L_I=L_II=678 µH, R_I=R_II=6,2 Ohm, L_bifilar =4,8 µH; Zylinder-Luftspule, ∅ 3 cm, l=19 cm, 2x240 Wdgn., 0,35 CuL, Anzapfungen nach 20/40/80/120/160/200/220 Wdgn., L_I=L_II=270 µH, R_I=R_II =4,2 Ohm, L_bifilar ca. 11 µH.
Das erfindungsgemäße Wandlerelement gestattet die induktive Übertragung elektrischer Energie. Die kernlose Ausführung dürfte sich für hohe Frequenzen eignen. Durch die Phasenbeziehung von ca. 0° zwischen Primär- und Sekundärspannung sind neuartige Generatoren und Filter möglich.

Claims

Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement bestehend aus mindestens einer durch Primärleiter (a) gebildeten Wicklung, und aus mindestens einer durch Sekundärleiter (b) gebildeten Wicklung, die typischerweise galvanisch voneinander getrennt sind, wobei Primär- und Sekundärwicklung (-en) nicht räumlich getrennt, sondern ineinanderliegend ausgeführt sind, gekennzeichnet dadurch, daß ein Primärleiter (a) stets in unmittelbarer Nähe eines oder mehrerer Sekundärleiter (b) verläuft und umgekehrt, wobei dies für alle Raumrichtungen gilt, und daß die unmittelbare Nähe von zwei oder mehr Leitern derselben Kategorie (aa, bb, aaa, ...) weitestgehend vermieden wird.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Primär- und Sekundärwicklung zusammen eine einlagige Spule bilden, insbesondere eine Flach-, Ring-, Toroid-, spiralförmige, gewendelte oder Zylinderspule.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die aus Primär- und Sekundärleiter bzw. Primär- und Sekundärwicklung (-en) gebildete Spule mehrere Lagen aufweist, wobei die Lagen voneinander getrennt sind, im besonderen durch räumlichen Abstand oder mechanische Abstandshalter, und/oder Material mit hoher Permeabilität, und/oder Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Flachmaterial zur Anfertigung der Wicklungen verwendet wird, im besonderen ein bandförmiger elektrischer Leiter, oder ein bandförmiges nichtleitendes Material, in dem ein elektrischer Leiter enthalten ist.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch Material hoher Permeabilität der magnetische Widerstand des/der gebildeten magnetischen Kreise verringert wird.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Primär- und Sekundärleiter als Mehrfachleitung ausgeführt sind, im besonderen als Doppelleitung, wobei diese von Material hoher Permeabilität und/oder hoher elektrischer Leitfähigkeit umgeben sein kann.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere einlagige, aus Flachmaterial (z.B. Cu-, Al-Band) bifilar gewickelte Flach- oder Radialspulen (Leiterfolge ..ababa... in radialer Richtung) in axialer Richtung aneinandergereiht werden.
Bifilar aufgebautes induktives Wandlerelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwei oder mehr der genannten Ansprüche gemeinsam verwendet werden.