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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftspule aus einem Leiterbündel. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Multilevelkonverter mit einer derartigen Luftspule und ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Multilevelkonverter.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Multilevelkonverter oder modulare Multilevel-Umrichter (auch bekannt als modulare Mehrpegelenergiewandler, MMC oder M2C) sind eine verhältnismäßig neue Form von Stromrichter. MMCs umfassen typischerweise eine Vielzahl von Wandlermodule. Die Wandlermodule ermöglichen eine hohe Zahl von Spannungspegeln. Der Aufwand für die Filterung der erzeugten Spannung ist dadurch stark gesenkt. Das führt zu einem geringeren Bedarf an Filterelemente wie beispielsweise Induktivitäten wodurch deutlich Gewicht gespart werden kann, da Filterelemente einen erheblichen Teil des Gewichts eines Stromrichters ausmachen können.
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Eines von vielen Einsatzgebieten von MMCs ist als Antriebsumrichter in hybrid-elektrisch oder elektrisch betriebenen Luftfahrzeugen. Hier arbeitet der MMC beispielsweise als Wechselrichter zwischen einer Batterie und einem der Elektromotoren im Luftfahrzeug.
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Ein zentrales Bauelement hochtaktender MMCs ist die sogenannte Zweigdrossel zur Entkopplung des oberen und unteren Umrichterarm. Bei dieser Art von Umrichtern wird die Zweigdrossel mit Stromkomponenten verschiedener Frequenzen beansprucht:
- - Gleichstromkomponente,
- - Wechselstromkomponente mit niedriger Frequenz in einem ersten Zweig von Leitern, eine erste Teilinduktivität bildend (ca. 100 Hz bis 1500 Hz) und
- - Wechselstromkomponente mit hoher Frequenz in einem zweiten Zweig von Leitern, eine zweite Teilinduktivität bildend (> 40 kHz bis ca. 300 kHz).
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Bei bestehenden Anwendungen von MMCs, beispielsweise in Mittel- und Hochspannungsanlagen in der Industrie- und Energieversorgung, spielt das Gewicht der Zweigdrossel keine entscheidende Rolle. Bei Luftfahrtanwendungen, für die sich der MMCs sehr gut eignet, ist das Gewicht der Zweigdrossel beziehungsweise von Entkopplungen und Induktivitäten, allerdings von zentraler Bedeutung.
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Bei Motoranwendungen wird diese in der Regel als verkoppelte Induktivität ausgeführt, um die auf Motor-Seite wirksame Induktivität zu verringern. Gewichtsoptimierte Zweigdrosseln waren in bisherigen Anwendungen nicht notwendig.
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Aus den nachveröffentlichen Patentanmeldungen PCT/ EP2018/ 067533 und
DE 10 2017 211 547 ist bekannt für gewichtsoptimierte Zweigdrosseln eine zylindrische einlagige Luftspule zu verwenden. Diese Anordnung weist in der Regel eine Kopplung unter 90% auf und hat damit unter anderem den Nachteil, dass auf der Motorseite eine wirksame Induktivität und ein damit verbundener Spannungsabfall vorliegt was zu einem verringerten nutzbaren Aussteuergrad. Außerdem liegt eine verringerte DC-seitig wirksame Induktivität durch nicht ideale Kopplung vor, welche gegebenenfalls durch mehr Eigeninduktivität kompensiert werden muss.
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Für eine optimierte Anwendung in der Luftfahrt ist es wünschenswert die Induktivität von Zweigdrosseln bei gleichbleibenden Gewicht oder nur geringfügigen Gewichtserhöhungen zu erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Luftspule für eine Anwendung als Zweigdrossel mit hoher Kopplung bei geringem Gewicht anzugeben. Die Luftspule soll insbesondere in Multilevelkonverter der Luftfahrt zum Einsatz kommen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, den Stand der Technik dahingehend zu verbessern, dass die Kopplung bei Luftspulen für die Anwendung als Zweigdrossel durch eine mehrlagig gewickelte Helix aus einem Leiterbündel aus mindestens vier rohrförmigen Leitern verbessert wird.
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Die Erfindung beansprucht eine Luftspule. Die Luftspule weist mindestens ein Leiterbündel auf, wobei das Leiterbündel aus mindestens vier rohrförmigen, zueinander isolierten Leitern gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass so einzelne Leiter des Leiterbündels in Lagen und parallel zueinander angeordnet werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leiterbündel als mehrlagige Helix gewickelt sein. Dies hat den Vorteil, dass zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit das Wickelschema analog erweitert werden kann. Es können Leiter parallel zueinander oder in Schichten angeordnet werden. Zusätzlich kann die Windungsanzahl oder auch als Wicklungsanzahl berechenbar der Helix beliebig erhöht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leiterbündel entlang seiner Längsachse, d.h. um die Längsachse, verdreht sein.
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Im Nennarbeitspunkt sind die Komponenten des Motorstroms somit nahezu ideal aufgehoben. In der Realität treten allerdings auch Wechselstromkomponenten auf welche in „Gleichstromrichtung“ fließen (Querströme) und sich somit nicht aufheben. So gibt es auch im Nennarbeitspunkt eine (vergleichsweise) kleine Komponente mit doppelter Motorfrequenz. Weiterhin werden während des Motorhochlaufes Wechselstromkomponenten eingeregelt, welche in „Gleichstromrichtung“ fließen.
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Diese Ströme führen zu Wechselstromfeldkomponenten, die wiederrum in den parallelgeschalteten Leitungen sog. Schleifenströme induzieren. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Stromaufteilung und Erwärmung.
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Um diesen Effekt zu minimieren ist es sinnvoll, das Leiterbündel mindestens einmal in der Spulenmitte entlang seiner Längsachse zu verdrehen. Idealerweise wird dieser Lagenwechsel bzw. diese Verdrehung in jeder Windung durchgeführt mindestens aber einmal in Spulenmitte. Der Lagenwechsel kann auch als Verdrillung bezeichnet werden und ist vergleichbar mit dem „Schlag“ bei Hochfrequenzlitzen.
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Alternativ zu einer Verdrehung um 180 Grad pro Wicklung kann die Verdrillung auch gleichmäßig über die gesamte Höhe der Luftspule realisiert werden.
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Durch ausreichend häufigen Lagenwechsel kann eine symmetrische Stromaufteilung auch für Gleichtaktkomponenten erzielt werden. Dies ermöglicht auch eine Anwendung als Induktivität (keine Kompensation der Wechselstromkomponenten).
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leiterbündel Leiter aus Aluminium aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Luftspule so gewichtssparend realisiert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Leiterbündel Leiter mit einem Durchmesser von 5 mm bis 10 mm, insbesondere 8 mm aufweisen und/oder der Durchmesser der Luftspule 170 mm bis 230 mm, insbesondere 200 mm sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Luftspule eine Zweigdrossel mit zwei Zweigen sein, wobei jeweils mindestens zwei Leiter einen Zweig bilden.
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Die Leiter der zwei Zweige können zueinander diagonal verschachtelt angeordnet werden. Dies hat im Zusammenhang mit der Art des Wicklungsaufbaus, dass Kopplungsgrade bis 99% möglich sind. Die hohe Verkopplung führt zu einer um ein Vielfaches erhöhten Induktivität. Aufgrund der hohen realisierbaren Kopplung steigt der nutzbare Aussteuergrad für einen Motor. Außerdem kann dadurch auf Schirmmaßnahmen weitgehend verzichtet werden und die benötigte Induktivität kann mit weniger Materialeinsatz und dadurch Gewicht realisiert werden.
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Die Erfindung beansprucht außerdem einen Multilevelkonverter mit mindestens einer erfindungsgemäßen Luftspule, wobei durch die Leiter ein Kühlmedium strömt. Das Kühlmedium hat den Vorteil, dass eine Überhitzung der Spule vermieden werden kann.
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Die Erfindung beansprucht außerdem Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Multilevelkonverter zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung für eine elektrische Schuberzeugungseinheit.
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Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen
- 1 eine Schaltbildansicht eines Multilevelkonverters,
- 2 eine Ansicht einer Luftspule,
- 3 einen Querschnitt durch eine Zweigdrossel,
- 4 einen Querschnitt durch eine Zweigdrossel mit Verdrillung,
- 5 eine Ansicht eines Flugzeugs.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt stark schematisiert den Aufbau eines Multilevelkonverter 10 (auch als modularen Multilevel-Umrichters (MMC) bezeichenbar) in einem einphasigen Aufbau. Der Multilevelkonverter 10 umfasst einen ersten Anschluss 11, an dem beispielsweise eine Gleichspannung aus einem Zwischenkreis angeschlossen sein kann. Parallel zu diesem Zwischenkreis ist im MMC 10 eine Wandlerschaltung 12 angeordnet. In einem mehrphasigen Aufbau für den Multilevelkonverter 10 sind beispielsweise zwei weitere solche Wandlerschaltungen 12 parallel zueinander vorhanden.
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Die Wandlerschaltung 12 umfasst eine Serienschaltung aus einer Mehrzahl von Wandlermodulen 13, die üblicherweise mittig durch eine in Serie zu den Wandlermodulen 13 geschaltete Zweigdrossel 14 unterbrochen wird. Die Zweigdrossel kann beispielsweise eine Luftspule sein. Die Zweigdrossel 14 weist einen Mittelabgriff auf, der mit einem Mittelanschluss 15 verbunden ist. Der Mittelanschluss 15 bildet einen der Ausgangsanschlüsse, der beispielsweise ein Wechselspannungsausgang ist.
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Die Wandlermodule 13 umfassen jeweils wenigstens einen Energiespeicher, typischerweise in Form eines Kondensators sowie ein Schaltnetzwerk, das den Energiespeicher überbrücken oder seriell zuschalten kann. Über die wechselnde Zuschaltung und Überbrückung der Energiespeicher wird das Spannungsniveau für die Ausgangsspannung gesteuert. Aus der Einstellung des Spannungsniveaus mittels der Vielzahl von Wandlermodulen 13 und der Notwendigkeit, den Ladezustand der Energiespeicher zu regulieren, ergeben sich vielerlei Schalthandlungen, die insgesamt Stromkomponenten in einem weiten Frequenzbereich ergeben.
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Durch eine in 1 nicht gezeigte Steuerung werden die Wandlermodule 13 des modularen Multilevelkonverter 10 derart angesteuert, dass jedes der Wandlermodule 13 mit einer Frequenz von 25 kHz schaltet. Es wird für dieses Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Wandlerschaltung 20 einzelne Wandlermodule 13 umfasst. Diese teilen sich in den unteren und oberen Arm der Wandlerschaltung 12 auf. Die Steuerung ist so gestaltet, dass die Wandlermodule 13 des oberen Arms zueinander versetzt getaktet werden, sodass sich letztlich eine Frequenz für die Schalthandlungen im oberen Arm von 250 kHz ergibt. Eine analoge Ansteuerung wird für den unteren Arm vorgenommen.
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Die Zweigdrossel 14 ist im vorliegenden Beispiel als verkoppelte Induktivität ausgeführt. Hierbei ist die Zweigdrossel 14 geteilt in einen ersten Zweig 141 und einen zweiten Zweig 142. Der erste Zweig 141 kann eine erste Teilinduktivität bilden und einen zweiten Zweig 142 kann eine zweite Teilinduktivität bilden.
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Die Wandlerschaltung 12 wird durch den Mittelanschluss 15 in einen ersten Arm und einen zweiten Arm geteilt. Der erste Zweig 141 ist im ersten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss 15 verbunden. Der zweite Zweig 142 ist im zweiten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss 15 verbunden. Der erste Zweig 141 und der zweite Zweig 142 sind dabei so zueinander angeordnet, dass sich ihr magnetischer Fluss für gleiche Stromanteile im ersten und zweiten Arm teilweise aufhebt.
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Einen vorteilhaften Aufbau der Zweigdrossel 14 zeigt 2. Die Zweigdrossel 14 ist als Luftspule aufgebaut, also ohne einen Ferrit- oder Eisenkern. Dieser Aufbau wird durch die hohen anliegenden Schaltfrequenzen von 250 kHz und die dadurch bedingte hohe Frequenz der Störanteile des Stromflusses ermöglicht. Diese hohe Frequenz erlaubt es, für die Zweigdrossel 14 eine im Verhältnis zu bekannten Umrichtern geringe Induktivität festzulegen. Es wird also eine deutliche Einsparung beim Gewicht der Zweigdrossel 14 erreicht.
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In diesem Aufbau hat die Zweigdrossel 14 zwei Zweige: Einen ersten Zweig 141 und einen zweiten Zweig 142 (nicht mit Bezugszeichen versehen). Der erste Zweig 141 weist einen ersten inneren Leiter 141i und einen ersten äußeren Leiter 141a auf. Der zweite Zweig 142 weist einen zweiten inneren Leiter 142i und einen zweiten äußeren Leiter 142a auf.
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Der erste Zweig 141 kann eine erste Teilinduktivität tragen und der zweite Zweig 142 kann eine zweite Teilinduktivität tragen.
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Der erste Zweig 141 kann eine Frequenz zwischen 100 Hz und 150 Hz aufweisen und der zweite Zweig 142 kann eine Frequenz zwischen 40 kHz und 300 kHz aufweisen. Dabei tragen der erste Zweig 141 und der zweite Zweig 142 tragen einen ähnlichen Strom (Gleichstrom + bspw. 1,5 kHz Motorfrequenz + bspw. 3 kHz doppelte Motorfrequenz + Schaltripple).
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Die Leiter 141a, 141i, 142a und 142i werden dabei von einer Isolationsschicht 143 umgeben. Im Inneren der Leiter 141a, 141i, 142a und 142i kann ein Kühlmedium geführt werden.
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Die Zweigdrossel 14 ist im vorliegenden Beispiel als verkoppelte Induktivität ausgeführt. Um die Kopplung zu erhöhen werden, wie auch in 3 dargestellt, die Leiterwicklungen in jeweils mindestens zwei parallel ineinander geschaltete Leiter aufteilt: dem ersten inneren Leiter 141i und dem zweiten inneren Leiter 142i welche innerhalb des ersten äußeren Leiter 141a und des zweiten äußeren Leiter 142a. Zusätzlich werden jeweils zwei Schichten (oder auch als Layer bezeichenbar) von Leiterwicklungen übereinander geschalten: Pro Wicklung liegt der erste innere Leiter 141i unter dem zweiten inneren Leiter 142i und der erste äußere Leiter 141a über dem zweiten äußeren Leiter 142a. Andere Aufteilungen oder Anordnungen der Leiter 141a, 141i, 142a und 142i sind ebenfalls möglich.
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2 zeigt den beschriebenen Aufbau einer bei einer Windungsanzahl von 8 mit einer Schichtanzahl von 2 (übereinander Schaltung von einem ersten Zweig 141 und einem zweiten Zweig 142) und 2 parallel ineinander (einen ersten Zweig 141 innerhalb eines zweiten Zweigs 142 sowie einen ersten Zweig 141 außerhalb eines zweiten Zweigs 142) geschalteten Leitern pro Wicklung.
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Die Zweigdrossel kann wie in 2 dargestellt einen Leiter-Spulenträger 145 aufweisen. Der Verlauf einer ersten Wicklung 144 ist durch die Kästen angedeutet. Außerdem bilden vier Leiter (141a, 141i, 142a und 142i) ein Leiterbündel 146.
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In 2 ist außerdem ein Größenmaßstab gegeben. Die gesamte Wicklung weist vorteilhafterweise einen Durchmesser von 200 mm bis 300 mm auf. Andere Maße sind ebenfalls möglich.
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Zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit kann das Wickelschema analog erweitert werden. Durch diese Art des Wicklungsaufbaus sind Kopplungsgrade bis 99% möglich und realisiert. Aufgrund der hohen realisierbaren Kopplung in dieser Anordnung steigt der nutzbare Aussteuergrad auf Motorseite. Außerdem kann dadurch auf Schirmmaßnahmen weitgehend verzichtet werden. Zusätzlich kann die benötigte Induktivität mit weniger Materialeinsatz und dadurch Gewicht realisiert werden.
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Im Nennarbeitspunkt sind die Komponenten des Motorstroms somit nahezu ideal aufgehoben. In der Realität treten allerdings auch Wechselstromkomponenten auf welche in „Gleichstromrichtung“ fließen (Querströme) und sich somit nicht aufheben. So gibt es auch im Nennarbeitspunkt eine (vergleichsweise) kleine Komponente mit doppelter Motorfrequenz. Weiterhin werden während des Motorhochlaufes Wechselstromkomponenten eingeregelt, welche in „Gleichstromrichtung“ fließen.
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Diese Ströme führen zu Wechselstromfeldkomponenten, die wiederrum in den parallelgeschalteten Leitungen sog. Schleifenströme induzieren. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Stromaufteilung und Erwärmung.
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Um diesen Effekt zu minimieren ist es sinnvoll mindestens in der Spulenmitte die inneren ersten und zweiten Leiter 141i und 142i durch einen Lagenwechsel außen liegenden Leitern zu machen. Idealerweise wird dieser Lagenwechsel in jeder Windung durchgeführt mindestens aber einmal in Spulenmitte. Der Lagenwechsel kann auch als Verdrillung bezeichnet werden und ist vergleichbar mit dem „Schlag“ bei Hochfrequenzlitzen.
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Die Leitungen von dem inneren ersten Leiter 141i und äußeren ersten Leiter 141a sowie des inneren zweiten Leiters 142i und des äußeren zweiten Leiters 142a werden somit, wie in 4 dargestellt, miteinander diagonal verschachtelt beziehungsweise verdrillt. In 4 ist eine 180 Grad Drehung des gesamten Leiterbündels über eine Windung dargestellt. Die Pfeile und Kästen markieren die Stellen der Verdrillung. Nach einer halben Windung hat eine 90 Grad Drehung stattgefunden. Der Positionswechsel wird beim Vergleich von 3 (ohne Verdrillung) und 4 (mit Verdrillung) klar. Alternativ kann die Verdrillung auch gleichmäßig über die gesamte Höhe der Luftspule realisiert werden.
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Der ursprünglich innere erste Leiter 141i und innere zweite Leiter 142i liegen nun auf der Außenseite des Wicklungsaufbaus bzw. der Luftspule. Der ursprünglich äußere erste Leiter 141a und äußere zweite Leiter 142a liegen nun auf der Innenseite des Wicklungsaufbaus bzw. der Luftspule.
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Durch ausreichend häufigen Lagenwechsel kann eine symmetrische Stromaufteilung auch für Gleichtaktkomponenten erzielt werden. Dies ermöglicht auch eine Anwendung als Induktivität (keine Kompensation der Wechselstromkomponenten).
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5 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybridelektrischen Flugzeugs 20, als Beispiel eines Luftfahrzeugs, mit einem Multilevelkonverter 10 der eine Zweigdrossel 14 aufweist. Der Multilevelkonverter 10 stellt für eine elektrische Maschine 21 elektrische Energie bereit. Die elektrische Maschine 21 versetzt einen Propeller 22 in Rotation. Die elektrische Maschine 21 und der Propeller 22 blinden eine elektrische Schuberzeugungseinheit.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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