DE19704232A1

DE19704232A1 - Mittelfrequenzspule

Info

Publication number: DE19704232A1
Application number: DE1997104232
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Wallmeier
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: DET International Holding Ltd
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: DE19704232C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mittelfrequenzspule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Spulen finden insbesondere in leistungselektronischen Geräten Anwendung. Unter Mittelfrequenz versteht man den Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz.

Bei leistungselektronischen Anwendungen haben die Ströme oftmals einen hochfre quenten Anteil, so daß Stromverdrängungseffekte in den Wicklungen zu einer er heblichen Verlustleistungserhöhung führen können. Eine solche Situation kann z. B. bei Resonanzspulen mit hohen Wechselstromamplituden, aber kleinen Gleichstrom amplituden oder bei Filterspulen mit einer Gleichstrom- und Wechselstrombelastung gegeben sein.

Die Mechanismen, die zu den sogenannten Wechselstromverlusten in Leiterlagen einer Spule führen, sind seit langem bekannt. Man unterscheidet dabei folgende drei Effekte:

1. Innerer Stromverdrängungseffekt in den Leiterlagen;
2. induzierter Stromverdrängungseffekt in luftspaltnahen Leiterlagen, verursacht durch das Streufeld des Luftspaltes;
3. durch magnetische Felder benachbarter Leiterlagen induzierter Stromverdrän gungseffekt.

Die Erfindung bezieht sich nur auf die unter Punkt 2 und 3 genannten induzierten Stromverdrängungseffekte.

In der Literatur finden sich eine Reihe von Vorschlägen zur Reduktion des als Punkt 2 benannten induzierten Stromverdrängungseffekts durch das Wirbelfeld des Luftspaltes.

In U. Kirchenberger, M. Marx, D. Schröder, "A Contribution to the Design Optimizati on of Resonant Inductors for High Power Resonant DC-DC-Converters", IAS 1992, Seite 994 bis 1001 wird ein quasi-verteilter Luftspalt vorgeschlagen. Dabei wird ein Luftspalt durch mehrere schmalere Luftspalte mit unveränderter Gesamt-Reluktanz ersetzt. Verteilte Luftspalte können realisiert werden durch eine Reihe nicht perme abler, nicht leitfähiger Plättchen, die Teilluftspalte darstellen, mit jeweils zwischenge legter hoch permeabler Ferritplatte. Das resultierende Streufeld und somit die Ver luste durch den unter 2 genannten Effekt lassen sich zwar reduzieren, die Herstel lung ist jedoch aufwendig und der Raumbedarf gegenüber einem Kern mit einfachem Luftspalt größer.

In W. H. Chew, P. D. Evans, "High frequency inductor design concepts", PESC 1991, Boston, Seite 673 bis 678 wird vorgeschlagen, den Luftspalt durch einen Abschnitt aus niederpermeablem Stoff mit gleicher Gesamt-Reluktanz zu ersetzen. Das ma gnetische Feld wird in den niederpermeablen Werkstoff gut geführt und das Streu feld ist minimal, so daß die Verluste durch den Mechanismus 2 reduziert werden. Auch bei diesem Verfahren ergeben sich ein erhöhter Fertigungsaufwand und ein erhöhter Raumbedarf für den Luftspalt. Ein erhöhter Raumbedarf für den Luftspalt ist besonders bei Spulen geringer Aufbauhöhe nachteilig.

In Nysveen, "Minimum loss design of a 10 kHz inductor with foil windings", EPE 1993, S. 106 bis 111 wird vorgeschlagen, eine Wicklung relativ weit vom Luftspalt entfernt anzuordnen, so daß das Streufeld am Ort der Wicklung schon weit abge klungen ist. Auch diese Maßnahme führt zu einer Reduktion der Verluste durch Me chanismus 2, erhöht aber auch den Verlust an effektiver Wickelfläche, der wiederum zu einer Erhöhung des gesamten Wickelwiderstandes führt und somit unerwünscht ist. Diese Nachteile machen sie besonders bei Spulen mit großem Luftspalt be merkbar, da der einzuhaltende Abstand zum Luftspalt mit dessen Breite steigt.

Maßnahmen zur Verminderung des als dritten Effekt genannten induzierten Strom verdrängungseffekts durch magnetische Felder benachbarter Leiterlagen sind nicht bekannt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mittelfrequenzspu le anzugeben, bei der Maßnahmen zur Reduktion induzierter Stromverdrängungsef fekte getroffen sind, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Maßnahmen.

Diese Aufgabe wird bei einer Mittelfrequenzspule nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die üblichen elektrisch isolierenden Folien zwischen Wicklungslagen zu ersetzen durch niederpermeable, nicht leitfähige Foli en. In vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, bei Verwendung luftspaltbe hafteter Kerne mit solchen niederpermeablen Folien eine Schirmung der Wicklung zu benachbarten Luftspalten vorzusehen, durch Anordnung solcher Folien an den Grenzen des Wicklungsfensters. Permeable Lagen an den Grenzen des Wicklungs fensters bewirken eine Schirmung der Wicklung zu benachbarten Luftspalten und somit eine Reduktion der Wechselstromverluste durch den Mechanismus 2, und die Schirmfolien zwischen den Leiterlagen bewirken eine Reduktion der Wechselstrom verluste durch den Mechanismus 3. Die niederpermeablen Schirmfolien dürfen den Kern nicht berühren, müssen also davon beabstandet sein. Diese Bedingung ist in der Praxis durch die übliche Verwendung eines Wickelkörpers erfüllt.

Die nachstehend benutzten Begriffe, wie die dimensionslose Permeabilitätszahl µ_r eines Stoffes und die ebenfalls dimensionslose Permittivitätszahl ε_r eines Stoffes sind z. B. in Hütte, "Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften", 30. Auflage, 1996, Springer-Verlag näher erläutert.

Die Permeabilitätszahl µ_r der Schirmfolien muß weit geringer sein als die des Kern werkstoffes, dessen Permeabilitätszahl bei µ_r=500 bis 10 000 liegt. Die Permeabili tätszahl der Schirmfolien soll im Bereich von µ_r=15 bis 30 liegen, in einem Fre quenzbereich von f=1 kHz bis 1 MHz. Ein solches Permeabilitätsverhältnis zwischen Schirmfolien und Kernwerkstoff wird angestrebt, um Feldeinschnürungen zu vermei den und den magnetischen Widerstand der Schirme möglichst groß zu realisieren, um den Fluß durch diese weitgehend zu reduzieren. Dies bewirkt einerseits, daß die Sättigungsinduktion des Werkstoffes der Schirme erst nach dem Sättigungspunkt der gesamten Spule erreicht wird und zum anderen, daß die magnetischen Kenn größen der Spule nicht beeinflußt werden.

Zu den besonderen Vorteilen der erfindungsgemäßen Mittelfrequenzspule zählt, daß nicht nur Verluste durch den Mechanismus 2, sondern auch durch den Mechanismus 3 vermindert werden. Die effektive Wickelfläche reduziert sich nur unwesentlich. Der Volumenbedarf des Luftspaltes und des Kernes bleibt unverändert. Das Einbringen der Schirmfolien ist mechanisch einfach zu realisieren. Die Mittelfrequenzspule läßt sich daher kostengünstig, auch in einer Massenfertigung herstellen.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Wickelfenster einer erfindungsgemäßen Spule, und

Fig. 2 Versuchsergebnisse, wobei eine, auf eine Vergleichsspule bezogene relative Widerstandserhöhung als Funktion der Frequenz dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Magnetkerns 1, wobei die Hälfte eines E-Kerns dargestellt ist. Im Mittelschenkel 2 des Kerns 1 ist ein erster Luftspalt 3 mit einer Luftspaltbreite a vorhanden. Mit Bezugszeichen 4 ist eine mögliche Stelle für einen zweiten Luftspalt, einen Luftspalt im magnetischen Rückschluß 6 bezeichnet. Im Wickelfenster 5 der Querschnittdarstellung befindet sich ein Wickelkörper 7 mit wenigstens einer Wicklung 8. Die wenigstens eine Wicklung 8 weist eine abwech selnde Folge von Leiterlagen 9 und Schirmfolien 10 auf. Der Wickelkörper 7 besteht in üblicher Weise aus einem elektrisch isolierenden Material und die einzelnen Win dungen des Leiters in den Leiterlagen 9 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Die Schirmfolien 10 sind niederpermeable, nicht leitfähige Folien mit etwa 0,1 bis 0,3 mm Dicke. Die bevorzugte Permeabilitätszahl liegt im Bereich von µ_r=15 bis 30, die Permittivitätszahl ε_r bei <1 bis 20. Als erste Lage ist auf den Wickelkörper 7 eine in nere Schirmlage 11 aufgebracht, die eine Schirmung gegenüber dem ersten Luftspalt 3 bewirkt. Soweit ein zweiter Luftspalt 4 im magnetischen Rückschluß 6 vorhanden ist, ist eine äußere Schirmlage 12 um die gesamte Wicklung 8 aufge bracht. Die innere bzw. äußere Schirmlage 11, 12 besteht aus demselben Material wie die Schirmfolien 10.

Erste Versuche wurden mit einer FPC (Ferrite Polymer Composite)-Filmfolie mit C350-Material als Schirmfolie durchgeführt. Der FPC-Film ist beschrieben in Sie mens Matsushita Components, Datenbuch FPC Film, Januar 1996. Die Schirmfolie wird zwar allgemein zur elektromagnetischen Schirmung angeboten, jedoch nicht für den erfindungsgemäßen Zweck. Sie ist daher auch nicht optimiert bezüglich der Permittivitätszahl, die beim FPC-Film bezogen auf eine Frequenz f=1 kHz, bei ε_r=700 liegt und bezüglich der Permeabilitätszahl Pro die bei 9 bezogen auf f=10 MHz liegt.

Für den Versuch wurde mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spule gearbei tet, die einen E30-7-Kern enthält. Im Mittelschenkel und im Rückschluß ist jeweils ein Luftspalt a=2,5mm Breite vorhanden. Die Spule weist zwei Lagen auf.

Vergleichsmessungen wurden an gleichartigen Spulen mit und ohne Schirmfolien durchgeführt. Die Spule mit Schirm weist Schirmfolien zwischen den Lagen und an den Wicklungsgrenzen auf.

In Fig. 2 sind Meßergebnisse aufgetragen, wobei über der Frequenz f der Verlauf der relativen Widerstandsänderung aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, daß das Verhältnis der Wicklungswiderstände R_mit (mit Schirmfolien) zu R_ohne (ohne Schirmfo lie) bis zu einer Frequenz von etwa 10 kHz etwa Eins ist. Das bedeutet, daß sich die Spulen bezüglich der zu erwartenden Verluste identisch verhalten. Erst ab einer Frequenz f=10 kHz ist eine deutliche Widerstandabsenkung der Spule mit Schirmen bis zu etwa 30% gegenüber der Spule ohne Schirme zu erkennen. Bei der Ver suchsanordnung sinken die Vorteile der Spulen mit Schirmen mit zunehmender Fre quenz schnell ab, und ab etwa 550 kHz verhält sich die Spule mit Schirmen sogar ungünstiger als die Vergleichsspule. Dieser Umstand erklärt sich aus der hohen Permittivitätszahl der verwendeten Schirmfolien, die eine höhere Lagenkapazität verursachen. Bei Folien mit kleinerer Permittivitätszahl würde diese Erscheinung nicht auftreten und die Widerstandsverbesserung bis weit in den Megaherzbereich bestehen bleiben. Außerdem würde die Widerstandsabsenkung über 30% hinaus gehen, wenn die Schirmfolien mit einer Permittivitätszahl im erfindungsgemäß vor geschlagenen Bereich eingesetzt würden.

Um das Großsignalverhalten zu testen, wurde jede der beiden Spulen als Ein gangsspule in einen Hochsetzsteller eingebaut und die relative Temperaturerhöhung in verschiedenen Arbeitspunkten bei stark lückendem Strom mit hohem Wechsel stromanteil gemessen. Die Umgebungstemperatur betrug 25°C und die Spulen wur den in der selben Umgebung ungekühlt vermessen. Die Meßdauer betrug jeweils 10 Minuten. In allen gemessenen Fällen ergab sich eine Verbesserung der relativen Temperaturerhöhung der modifizierten Spule gegenüber der Referenzspule von mindestens 20%; beispielsweise eine Temperaturerhöhung auf nur 102°C, statt auf 130°C der Referenzspule.

Bezugszeichenliste

1

Magnetkern

2

Mittelschenkel

3

erster Luftspalt

4

zweiter Luftspalt

5

Wickelfenster

6

magnetischer Rückschluß

7

Wickelkörper

8

Wicklung

9

Leiterlagen

10

Schirmfolie

11

innere Schirmlage

12

äußere Schirmlage
a Luftspaltbreite.

Claims

1. Mittelfrequenzspule mit wenigstens einem Magnetkern (1) und elektrisch isolierenden Folien zwischen Leiterlagen (9) wenigstens einer Wicklung (8) auf ei nem Wickelkörper (7), dadurch gekennzeichnet daß die elektrisch isolierenden Fo lien jeweils Schirmfolien (10, 11, 12) sind, die im Frequenzbereich von 1 kHz bis 1 MHz eine Permeabilitätszahl im Bereich von µ_r=15 bis 30 und eine Permittivitäts zahl im Bereich von ε_r<1 bis 20 aufweisen.

2. Mittelfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Magnetkerns (1) mit wenigstens einem Luftspalt (3, 4) an einem solchen Luftspalt (3, 4) benachbarten Grenzen der Wicklung (8) jeweils eine zusätz liche Schirmfolie (11, 12) angeordnet ist.

3. Mittelfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schirmfolien (10, 11, 12) im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm liegt.