DE102017221267A1 - Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler und Wandleranordnung - Google Patents

Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler und Wandleranordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler (1). Die Wicklungsanordnung umfasst einen zumindest zwei Teilelemente (110, 120; 210, 220) umfassenden Wicklungskern (100; 200), wobei die zwei Teilelemente (110, 120; 210, 220) im Bereich einander gegenüberliegender Endflächen (114, 124; 115, 125; 217, 227) über einen Luftspalt (131, 132; 231) voneinander getrennt angeordnet sind. Sie weist zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) auf, die um den Wicklungskern (100; 200) derart gewickelt sind, dass sich ein Gleichanteil eines magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers (1) erzeugt ist, kompensiert. Die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) sind als Bandwicklungen ausgebildet. Ein jeweiliges Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) ist in einem den Luftspalt (131, 132; 231) nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungskerns (100; 200) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler. Die Wicklungsanordnung umfasst einen zumindest zwei Teilelemente umfassenden Wicklungskern, wobei die zwei Teilelemente im Bereich einander gegenüberliegender Endflächen über einen Luftspalt voneinander getrennt angeordnet sind. Zumindest zwei Wicklungen sind um den Wicklungskern derart gewickelt, dass sich ein Gleichanteil eines magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers erzeugt ist, kompensiert. Die Erfindung betrifft ferner eine Wandleranordnung mit zumindest zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern und einer Wicklungsanordnung.
  • Leistungselektronische Schaltungen, wie z.B. Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller, lassen sich auf mehrere identisch aufgebaute leistungselektronische Wandler aufteilen und parallel betreiben. Die Ansteuerung der leistungselektronischen Wandler erfolgt dann im sog. „Interleaved-Mode“, in dem die aktiven Schaltelemente mit dem gleichen Tastverhältnis, jedoch um die Anzahl der parallel vorgesehenen leistungselektronischen Wandler, versetzt getaktet werden. Bei zwei parallel angeordneten leistungselektronischen Wandlern (auch als Stufen bezeichnet) werden deren Schaltelemente mit einem Versatz von 50 % betrieben. Bei drei Stufen beträgt der Versatz 33 %.
  • 1 zeigt beispielhaft einen aus zwei identischen Stufen bestehenden Hoch-Tiefsetzsteller (englisch: Buck-Boost-Converter). Die in 1 gezeigte Wandleranordnung 1 umfasst einen, mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten ersten leistungselektronischen Wandler und einen mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichneten zweiten leistungselektronischen Wandler. Der erste leistungselektronische Wandler 10 umfasst eine Wicklung 11 mit einer Induktivität L1, ein erstes Schaltelement 12 sowie ein zweites Schaltelement 13. Analog hierzu umfasst der zweite leistungselektronische Wandler 20 eine Wicklung 21 mit einer Induktivität L2, ein erstes Schaltelement 22 sowie ein seriell dazu verschaltetes zweites Schaltelement 23. Die Wicklungen 11, 21 weisen insbesondere gleiche Induktivitäten L1, L2 auf.
  • Die Serienschaltung aus erstem und zweitem Schaltelement 12, 13 bzw. 22, 23, sowohl des ersten als auch des zweiten leistungselektronischen Wandlers 10, 20, ist zwischen einem Ausgangsanschluss 4 und einem Bezugspotentialanschluss 3 verschaltet. Parallel zu den leistungselektronischen Wandlern 10, 20 und somit zwischen dem Bezugspotentialanschluss 3 und dem Ausgangsanschluss 4 ist ferner ein (Glättungs-)Kondensator angeordnet. Ein Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement 12 und dem zweiten Schaltelement 13 des ersten leistungselektronischen Wandlers 10 ist über die Wicklung 11 mit einem Versorgungspotentialanschluss 2 verbunden. Analog hierzu ist ein Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement 22 und dem zweiten Schaltelement 23 des zweiten leistungselektronischen Wandlers 20 über die Wicklung 21 mit dem Versorgungspotentialanschluss 2 verbunden. Ein Kondensator 5 ist zwischen dem Versorgungspotentialanschluss 2 und dem Bezugspotentialanschluss 3 verschaltet.
  • Während zwischen dem Versorgungspotentialanschluss 2 und dem Bezugspotentialanschluss 3 eine Eingangsspannung Vin anliegt, kann zwischen dem Ausgangsanschluss 4 und dem Bezugspotentialanschluss 3 eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen werden.
  • Im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers 1 wird bei der Realisierung als Buck-Boost-Konverter lediglich die schaltende Funktion der zweiten Schaltelemente 13 und 23 (in 1 daher auch als S1 und S2 gekennzeichnet) genutzt, während die ersten Schaltelemente 12, 22 dauerhaft sperrend geschaltet sind, so dass lediglich deren Diodeneigenschaften im sperrenden Betrieb genutzt werden (was in 1 durch D1 und D2 gekennzeichnet ist).
  • Die Induktivitäten L1 und L2 werden üblicherweise durch separate Wicklungsanordnungen gebildet, bei denen jeweils die Wicklung 11 bzw. 21 auf einen individuellen Wicklungskern aufgebracht sind. Grundsätzlich ist es möglich, die Induktivitäten L1 und L2 durch eine einzige, durch einen gemeinsamen Wicklungskern verkoppelte, Induktivität zu ersetzen. Vorteil dieser Konfiguration ist ein geringeres Bauvolumen der Wicklungsanordnung, da der Gleichanteil des magnetischen Flusses in dem Wicklungskern kompensiert und dadurch der magnetische Kernquerschnitt deutlich reduziert werden kann.
  • Dieses Vorgehen ist schematisch in 2 dargestellt. Gezeigt ist eine Wicklungsanordnung mit einem Wicklungskern 100, der ein erstes, U-förmiges Teilelement 110 und ein entsprechend ausgebildetes, zweites U-förmiges Teilelement 120 umfasst. Das erste und das zweite Teilelement 110, 120 umfassen jeweils ein Mittelteil 111, 121, von deren gegenüberliegenden Enden sich parallel erstreckende Schenkelteile 112, 113 und 122, 123 erstrecken. Einander gegenüberliegende Endflächen 114, 124 des Schenkelteils 112, 122 und einander gegenüberliegende Endflächen 115, 125 der Schenkelteile 113, 123 sind durch einen Luftspalt 131 bzw. 132 voneinander beabstandet.
  • Entlang der in einer Achse angeordneten Schenkelteile 112 und 122 des ersten und des zweiten Teilelements 110 und 120 ist die Wicklung 11 zur Ausbildung der ersten Induktivität L1 vorgesehen. In entsprechender Weise erstreckt sich die Wicklung 12 zur Ausbildung der zweiten Induktivität L2 über die axial hintereinander angeordneten Schenkelteile 113 und 123 des ersten des zweiten Teilelements 110 und 120. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, überbrücken die Wicklungen 11 und 12 dabei den jeweils zwischen den einander gegenüberliegenden Schenkelteilen gebildeten Luftspalt 131 und 132.
  • Zusätzlich zu der Wicklungsanordnung sind die in 1 dargestellten und beschriebenen Elemente S1, D1 und S2, D2 und deren Verschaltung in Bezug auf den Ausgangsanschluss 4 und den Bezugspotentialanschluss 3 dargestellt.
  • 2 zeigt somit eine Anordnung, bei der bei zwei parallel geschalteten Stufen einer Wandleranordnung deren Wicklungen auf den luftspaltseitigen Schenkelteilen des Wicklungskerns 100 aufgetragen sind. Hierdurch ergibt sich der eingangs beschriebene und gewünschte Effekt, dass durch diese Anordnung der Gleichanteil des magnetischen Flusses in dem Wicklungskern kompensiert werden kann. Dies ist durch die im ersten Teilelement 110 eingezeichneten magnetischen Flüsse ϕ1 und ϕ2 illustriert, welche infolge der durch die Wicklungen 11, 12 fließenden Ströme i1 und i2 in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.
  • Die notwendige Induktivität zur Realisierung der Funktion der leistungselektronischen Schaltung (hier: Buck-Boost-Konverter) stellt sich durch den Kompensationseffekt der magnetischen Flüsse ϕ1 und ϕ2 lediglich durch eine Streuinduktivität ϕS ein, die aus einem undefinierten Streufluss resultiert, der entlang des in 3 mit den von oben nach unten verlaufenden Pfeilen Streupfad verläuft. Der Übersichtlichkeit halber sind in 3 die Elemente S1, D1 und S2, D2 und deren Verschaltung in Bezug auf den Ausgangsanschluss 4 und den Bezugspotentialanschluss 3 nicht dargestellt.
  • Eine sich durch die Streuinduktivität ϕS über die Luftspalte 131 und 132 ergebende Feldaufbauchung (nicht dargestellt) trägt in unerwünschter Weise zu einem erheblichen Teil zu Wicklungsverlusten bei, weswegen eine verhältnismäßig teure HF-Litzenwicklung zur Realisierung der Wicklungen 11, 12 verwendet werden muss. Bei höheren Leistungen bzw. Strömen durch die leistungselektronischen Schaltungen kann dies jedoch aufgrund eines nicht ausreichend groß realisierbaren Wickelfensters WF zu Einschränkungen führen. Das Wickelfenster WF ergibt sich aus der Breite eines jeweiligen Wickelkörpers der Wicklungen 11 bzw. 12, der sich in axialer Richtung der Schenkelteile erstreckt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler sowie eine Wandleranordnung mit zumindest zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern und einer Wicklungsanordnung anzugeben, welche eine Reduzierung der Wicklungsverluste und eine Erhöhung des durch die Wicklung führbaren Stromes ermöglichen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Wicklungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Wandleranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Es wird eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler vorgeschlagen, die einen zumindest zwei Teilelemente umfassenden Wicklungskern und zumindest zwei Wicklungen umfasst. Die zwei Teilelemente des Wicklungskerns sind im Bereich einander gegenüberliegender Endflächen über einen Luftspalt voneinander getrennt angeordnet. Die zumindest zwei Wicklungen sind um den Wicklungskern derart gewickelt, dass sich ein Gleichanteil des magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers erzeugt ist, kompensiert. Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei Wicklungen als Bandwicklungen ausgebildet. Ein jeweiliges Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen ist in einem den Luftspalt nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungskerns angeordnet.
  • Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler wird dadurch realisiert, dass die üblicherweise nicht verwendeten Abschnitte des Wicklungskernes mit jeweils einer Wicklung versehen werden. Gegenüber der eingangs aus dem Stand der Technik beschriebenen Anordnung (2 und 3) erfolgt somit eine Drehung der Wicklungen um 90°. Die neuartige Anordnung der Wicklungen in einem den Luftspalt nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungskernes vermeidet die negativen Auswirkungen der Feldaufbauchung in Luftspaltnähe, wodurch Auswirkungen auf Wicklungsverluste vermieden werden können. Dadurch wird es möglich, anstatt einer Litzenwicklung eine Bandwicklung für Hochstromanwendungen zu verwenden.
  • Durch die Reduzierung der Wicklungsverluste lässt sich die Wicklungsanordnung mit größeren Strömen betreiben. Darüber hinaus kann die Wicklungsanordnung kostengünstiger realisiert werden, da eine Bandwicklung gegenüber einer HF-Litzenwicklung deutlich günstiger ist. Durch die Verwendung einer Bandwicklung lassen sich wiederum die durch den hohen Gleichanteil des Wicklungsstromes resultierenden Verluste wirkungsvoll reduzieren. Durch die Reduzierung des Gleichanteils des magnetischen Flusses aufgrund einer Kompensation im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers kann der Querschnitt des Wicklungskernes reduziert werden, wodurch eine weitere Bauraumreduzierung möglich ist.
  • Die zum Betrieb der Wandleranordnung erforderliche Induktivität wird durch das eingangs beschriebene, an sich unerwünschte Streufeld bewirkt. Bei der vorgeschlagenen Konfiguration wird das an sich unerwünschte Streufeld gezielt erhöht, mit dem Effekt, dass die Verluste, die in die Bandwicklung induziert werden, verringert werden.
  • In einer zweckmäßigen Ausgestaltung verlaufen die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen parallel zueinander. Bei zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern und einer entsprechenden Anzahl von zwei Wicklungen (d.h. eine Wicklung pro leistungselektronischem Wandler) sind die Wicklungen an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten, welche jeweils keinen Luftspalt überspannen, angeordnet.
  • Eine Größe der einander gegenüberliegenden Endflächen ist insbesondere nur durch die Höhe des sich im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers ergebenden Rippelstroms bestimmt. Mit anderen Worten ist lediglich die Differenz aus dem Gleichanteil und dem Wechselanteil des Stromes sich ergebende Stromhöhe für die Dimensionierung der Fläche des Querschnitts des Wicklungskernes von Bedeutung.
  • In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung erstrecken sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen quer zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen zumindest zwei Teilelemente die Form eines U mit einem Mittelteil und sich von den gegenüberliegenden Enden des Mittelteils parallel erstreckenden Schenkelteilen auf, wobei das Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen sich im Bereich des Mittelteils erstreckt. Ein jeweiliges Teilelement, das die Form eines U aufweist, kann aus einem (d.h. einstückigen) U-förmigen Teilstück, zwei L-förmigen Teilstücken oder drei I-förmigen Teilstücken gebildet sein. Bei mehr als einem Teilstück sind die Teilstücke derart aneinanderzufügen, dass zwischen diesen kein Luftspalt besteht, um den magnetischen Fluss nicht in unerwünschter Weise zu beeinflussen. Durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete und U-förmige Teilelemente ergeben sich zwei (gleich lange) Luftspalte im Bereich der aneinander gegenüberliegenden Endflächen jeweils zweier zugeordneter Schenkelteile.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die zumindest zwei Teilelemente derart gegenüberliegen, dass die einander gegenüberliegenden Endflächen von sich zugewandten Schenkeln durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind. Im Ergebnis weist der Wicklungskern dadurch die Form eines Rings auf, der jedoch an zwei gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Luftspalt durchbrochen ist.
  • Eine Länge des Luftspalts (bzw. der Luftspalte) ist gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung gleich oder größer als eine vorbestimmte Mindestlänge, wodurch der Streupfad, entlang dem sich ein Wechselanteil des magnetischen Flusses erstreckt, parallel zu den Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen verläuft. Der Luftspalt wird damit derart gewählt, dass der magnetische Streufluss nicht von einem Teilelement in das andere Teilelement eintritt, sondern stattdessen von einem Schenkelteil eines Teilelements zu dessen anderem Schenkelteil verläuft.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung erstrecken sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts. Insbesondere weisen die zumindest zwei Teilelemente die Form eines E mit einem Zentralteil, sich von den gegenüberliegenden Enden des Zentralteils parallel erstreckenden Schenkelteilen und einem sich parallel zu den Schenkelteilen erstreckenden Mittelteil auf, wobei das jeweilige Mittelteil, das zwischen den beiden parallelen Schenkelteilen liegt, kürzer als die zwei Schenkelteile des gleichen Teilelements ist. Das Mittelteil ist insbesondere mittig zwischen den beiden Schenkelteilen des gleichen Teilelements angeordnet.
  • Wenn die zumindest zwei Teilelemente derart gegenüberliegen, dass Endflächen einander gegenüberliegender Schenkelteile der zumindest zwei Teilelemente jeweils unter Ausbildung eines kleinen Luftspalts gegenüberliegen, so ergibt sich zwischen den einander zugeordneten und in einer axialen Richtung angeordneten Mittelteile der zwei Teilelemente der gewünschte (vergleichsweise größerer bzw. längere) Luftspalt, über den der Streupfad verläuft. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, die resultierende Streuinduktivität zu erhöhen.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist ein jeweiliges Wicklungsfenster im Bereich der einander gegenüberliegenden Schenkelteile gebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Wicklungsfenster über ein Schenkelteil des einen Teilelements und das in der gleichen axialen Richtung angeordnete andere Schenkelteil des anderen Teilelements hinweg verläuft.
  • Die erfindungsgemäße Wandleranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wicklungsanordnung gemäß der hierin vorliegenden Beschreibung ausgebildet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen sind dabei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
    • 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer bekannten, aus zwei leistungselektronischen Wandlern (Stufen) bestehenden Wandleranordnung, in Gestalt eines Hoch-Tief-Setzstellers;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Wicklungsanordnung, bei der ein gemeinsamer Wicklungskern für die Induktivitäten der beiden leistungselektronischen Wandler vorgesehen ist;
    • 3 eine schematische Darstellung der Wicklungsanordnung aus 2, in der ein sich ergebender magnetischer Streupfad illustriert ist;
    • 4 eine Wicklungsanordnung gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante der Erfindung; und
    • 5 eine Wicklungsanordnung gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante der Erfindung.
  • Die nachfolgend beschriebenen Varianten einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung 100 werden beispielhaft für die in 1 gezeigte und einleitend bereits beschriebene leistungselektronische Schaltung mit zwei leistungselektronischen Wandlern beschrieben.
  • Gemäß der ersten Ausgestaltungsvariante, die in 4 gezeigt ist, umfasst ein Wicklungskern 100 zwei U-förmige Teilelemente 110, 120 und entspricht damit im Aufbau dem in Verbindung mit den 2 und 3 gezeigten Wicklungskern. Das erste Teilelement 110 umfasst ein Mittelteil 111, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei Schenkelteile 112, 113 parallel in Richtung des zweiten Teilelements 120 erstrecken. Das zweite Teilelement 120 weist eine zu der Form des ersten Teilelements 110 identische Form auf. In entsprechender Weise umfasst das zweite Teilelement 120 ein Mittelteil 121, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei Schenkelteile 122, 123 parallel in Richtung des ersten Teilelements 110 erstrecken.
  • Die Schenkelteile 112, 113 des ersten Teilelements 110 und die Schenkelteile 122, 123 des zweiten Teilelements 120 weisen jeweilige Endflächen 114, 115 bzw. 124, 125 auf. Die zwei Teilelemente 110, 120 sind dabei derart gegenüberliegend angeordnet, dass sich die Endflächen 114 und 124 der Schenkelteile 112, 122 sowie die Endflächen 115, 125 der Schenkelteile 113 und 123 gegenüberliegen. Dabei ist ein Luftspalt 131 und 132 der identischen Länge l zwischen den jeweiligen Endflächen 114, 124 und 115, 125 gebildet. Die Länge l ist größer als eine vorausbestimmte Mindestlänge, welche beispielsweise durch Versuche oder numerische Berechnung bestimmt werden kann. Die Mindestlänge ist derart, dass kein Streufluss von einem Teilelement auf das andere Teilelement übertreten kann.
  • Um das Mittelteil 111 des ersten Teilelements 110 ist eine erste Bandwicklung 116 gewickelt. In entsprechender Weise ist um das Mittelteil 121 des zweiten Teilelements 120 eine zweite Bandwicklung 126 gebildet. Der Stromfluss in die Bandwicklungen 116, 126 erfolgt derart, dass sich der in den zwei Teilelementen 110, 120 mit den Pfeilen ϕ1 und ϕ2 gezeigte, und in entgegengesetzte Richtungen verlaufende, magnetische Fluss ergibt.
  • Durch den gezeigten Aufbau der Wicklungsanordnung und die Dimensionierung der Spaltlänge l der Luftspalte 131, 132 ergibt sich ein Streufeld ϕS, welches jeweils nicht über die Luftspalte 131, 132 verläuft, sondern für das erste Teilelement 110 von dem ersten Schenkelteil 112 zu dem Schenkelteil 113 und für das zweite Teilelement 120 von dem Schenkelteil 122 zum Schenkelteil 123 gerichtet ist. Durch die Länge l des Luftpfades kann die Größe des Streufeldes ϕS eingestellt werden. Das an sich unerwünschte, aber hier künstlich erzeugte Streufeld ϕS sorgt für die erforderliche Induktivität zum Betreiben der leistungselektronischen Schaltung.
  • Eine in Luftspaltnähe auftretende Feldaufbauchung hat jedoch aufgrund der Anordnung der Wicklungen 116, 126 an den Mittelteilen 111, 122 keine Auswirkung auf die Wicklungsverluste. Aus diesem Grund ist die Verwendung von kostengünstigen und für Hochstromanwendungen gut geeigneten Bandwicklungen 116, 126 möglich. Insbesondere lassen sich die durch den hohen Gleichanteil des Wicklungsstromes resultierenden Verluste durch die Bandwicklung wirkungsvoll reduzieren.
  • 5 zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung für beispielhaft zwei leistungselektronische Wandler. Der Wicklungskern 200 umfasst ebenfalls zwei Teilelemente 210, 220. Die zwei Teilelemente 210, 220 weisen die Form eines E auf. Dabei erstrecken sich bei dem ersten Teilelement 210 von einem Zentralteil 221 (das in der Blattebene von oben nach unten verläuft) ein erstes Schenkelteil 222 und ein zweites Schenkelteil 223 von dessen gegenüberliegenden Enden parallel verlaufend in Richtung des zweiten Teilelements 220. Parallel zu den Schenkelteilen 212, 213 erstreckt sich ein Mittelteil 214 in Richtung des zweiten Teilelements 220, das eine geringere Länge als die zwei parallel verlaufenden Schenkelteile 212, 213 aufweist.
  • In entsprechender Weise umfasst das zweite Teilelement 220 ein (in der Blattebene von oben nach unten verlaufendes) Zentralteil 221, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei parallel erstreckende Schenkelteile 222, 223 in Richtung des ersten Teilelements 210 erstrecken. Parallel zu den Schenkelteilen 222, 223 erstreckt sich ein Mittelteil 224 in Richtung des ersten Teilelements 210.
  • Der Aufbau des ersten und des zweiten Teilelements 210, 220 ist identisch.
  • Das erste und das zweite Teilelement 210, 220 werden an den Endflächen 215, 225 und 216, 226 einander zugeordneter Schenkelteile 212, 222 und 213, 223, jeweils unter Ausbildung eines kleinen Luftspalts l1 , l2 , aneinandergefügt. Bei dieser Anordnung kommen die Mittelteile 214, 224 in einer axialen Richtung zum Liegen. Aufgrund der geringeren Länge der Mittelteile 214, 224 ergibt sich ein parallel zu den Wicklungsachsen der Wicklungen 218, 228 erstreckender Luftspalt 231 der Länge l, der größer ist als die Luftspalte l1 , l2 .
  • Wie ohne weiteres aus 5 ersichtlich ist, ist eine erste Bandwicklung 218 zur Ausbildung einer Induktivität L1 als Bandwicklung ausgebildet und erstreckt sich längs der axial angeordneten Schenkelteile 212, 222. Die Wicklung 228 erstreckt sich über die Schenkelteile 213, 223 in axialer Richtung.
  • Die Bestromung der Wicklungen 218, 228 erfolgt derart, dass sich ein Gleichanteil des magnetischen Flusses in den mit den Pfeilen ϕ1, ϕ2 in 5 gekennzeichneten Richtungen erstreckt und kompensiert. Das Streufeld ϕS verläuft über den Luftspalt 231 hinweg von dem Mittelteil 214 zu dem Mittelteil 224 des zweiten Teilelements 220. Durch die in 5 gezeigte Kernform mit separatem Streupfad lässt sich die resultierende Streuinduktivität erhöhen, da sich der magnetische Widerstand verringern lässt. Hierdurch ergibt sich ein höherer Induktivitätswert. Die optimale Länge des Luftspalts 231 sowie die Größe der Endfläche 217 bzw. 227 der Mittelteile 214, 224 kann durch Versuche bzw. Simulation bestimmt werden.
  • Die Verwendung eines Wicklungskernes mit zwei E-förmigen Teilelementen erzeugt ein zusätzliches definiertes Streufeld, durch das sich der Wert der zu erreichenden Streuung gegenüber herkömmlichen Kerngeometrien deutlich erhöhen lässt.

Claims (13)

  1. Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler (1), umfassend - einen zumindest zwei Teilelemente (110, 120; 210, 220) umfassenden Wicklungskern (100; 200), wobei die zwei Teilelemente (110, 120; 210, 220) im Bereich einander gegenüberliegender Endflächen (114, 124; 115, 125; 217, 227) über einen Luftspalt (131, 132; 231) voneinander getrennt angeordnet sind; und - zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228), die um den Wicklungskern (100; 200) derart gewickelt sind, dass sich ein Gleichanteil eines magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers (1) erzeugt ist, kompensiert; wobei - die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) als Bandwicklungen ausgebildet sind; und - ein jeweiliges Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) in einem den Luftspalt (131, 132; 231) nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungskerns (100; 200) angeordnet ist.
  2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) parallel zueinander verlaufen.
  3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Größe der einander gegenüberliegenden Endflächen (114, 124; 115, 125; 217, 227) nur durch die Höhe des sich im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers (1) ergebenden Rippelstroms bestimmt ist.
  4. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) quer zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts (131, 132) erstrecken.
  5. Wicklungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die zumindest zwei Teilelemente (110, 120) die Form eines U mit einem Mittelteil (111, 121) und sich von den gegenüberliegenden Enden des Mittelteils (111, 121) parallel erstreckenden Schenkelteilen (112, 113; 122, 123) aufweisen, wobei das Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) sich im Bereich des Mittelteils (111, 121) erstreckt.
  6. Wicklungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die zumindest zwei Teilelemente (110, 120) derart gegenüberliegen, dass die einander gegenüberliegenden Endflächen (114, 124; 115, 125) von sich zugewandten Schenkeln durch einen Luftspalt (131, 132) voneinander beabstandet sind.
  7. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der eine Länge (l) des Luftspalts (131, 132) gleich oder größer als eine vorbestimmte Mindestlänge ist, wodurch ein Streupfad (ΦS), entlang dem sich ein Wechselanteil des magnetischen Flusses erstreckt, parallel zu den Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) verläuft.
  8. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (216, 226) parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts (231) erstrecken.
  9. Wicklungsanordnung nach Anspruch 8, bei der die zumindest zwei Teilelemente (210, 220) die Form eines E mit einem Zentralteil (211, 221), sich von den gegenüberliegenden Enden des Zentralteils (211, 221)parallel erstreckenden Schenkelteilen (212, 213, 222, 223) und einem sich parallel zu den Schenkelteilen (212, 213, 222, 223) erstreckenden Mittelteils (214, 224) aufweisen, wobei das jeweilige Mittelteil (214, 224) kürzer als die zwei Schenkelteile (212, 213, 222, 223) des gleichen Teilelements (210, 220) ist.
  10. Wicklungsanordnung nach Anspruch 9, bei der die zumindest zwei Teilelemente (210, 220) derart gegenüberliegen, dass Endflächen einander gegenüberliegender Schenkelteile der zumindest zwei Teilelemente (210, 220) jeweils unter Ausbildung eines kleinen Luftspalts (l1, l2) gegenüberliegen.
  11. Wicklungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der der Luftspalt (231) im Bereich der zwei einander gegenüberliegenden Mittelteile (214, 224) gebildet ist.
  12. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der ein jeweiliges Wicklungsfenster im Bereich der einander gegenüberliegender Schenkelteile gebildet ist.
  13. Wandleranordnung mit zumindest zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern (1) und einer Wicklungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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