DE19704232C2 - Mittelfrequenzspule - Google Patents
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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 100 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 sich besonders bei Spulen mit großem Luftspalt bemerk
bar, da der einzuhaltende Abstand zum Luftspalt mit dessen Breite steigt.
Maßnahmen zur Verminderung des als dritten Effekt genannten induzierten Stromver
drängungseffekts durch magnetische Felder benachbarter Leiterlagen sind nicht be
kannt.
Aus DE 89 03 618 U1 ist eine Spulenanordnung mit zwischen Wicklungslagen ange
ordneten Isolierfolien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bekannt. Diese Isolierfolien sind je
doch keine Schirmfolien.
DE 195 16 448 A1 beschreibt elektrisch isolierende Kunststofffolien, die durch einen
Zuschlag von Ferritmaterial abschirmende Wirkung haben und zur Verwendung in HF-
Spulen vorgesehen sind. Angaben über die Permeabilitätszahl oder die Permittivitäts
zahl sind der genannten Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mittelfrequenzspule
anzugeben, bei der Maßnahmen zur Reduktion induzierter Stromverdrängungseffekte
getroffen sind, unter Vermeidung der Nachteile bekannter Maßnahmen.
Diese Aufgabe wird bei einer Mittelfrequenzspule nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in
weiteren Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die üblichen elektrisch isolierenden Folien zwi
schen Wicklungslagen zu ersetzen durch niederpermeable, nicht leitfähige Folien. In
vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, bei Verwendung luftspaltbehafteter
Kerne mit solchen niederpermeablen Folien eine Schirmung der Wicklung zu benach
barten Luftspalten vorzusehen, durch Anordnung solcher Folien an den Grenzen des
Wicklungsfensters. Permeable Lagen an den Grenzen des Wicklungsfensters 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 Wechselstromverluste durch den Mecha
nismus 3. Die niederpermeablen Schirmfolien dürfen den Kern nicht berühren, müssen
also davon beabstandet sein. Diese Bedingung ist in der Praxis durch die übliche Ver
wendung eines Wickelkörpers erfüllt.
Die nachstehend benutzten Begriffe, wie die dimensionslose Permeabilitätszahl µr ei
nes Stoffes und die ebenfalls dimensionslose Permittivitätszahl seines Stoffes sind z. B.
in Hütte, "Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften", 30. Auflage, 1996, Springer-
Verlag näher erläutert.
Die Permeabilitätszahl µr der Schirmfolien muß weit geringer sein als die des Kern
werkstoffes, dessen Permeabilitätszahl bei µr 500 bis 10000 liegt. Die Permeabili
tätszahl der Schirmfolien soll im Bereich von µr 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 µr = 15 bis 30, die
Permittivitätszahl εr 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
εr 700 liegt und bezüglich der Permeabilitätszahl µr, 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 = 2,5 mm 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 Rmit (mit Schirmfolien) zu Rohne (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.
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
a Luftspaltbreite
Claims (3)
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 µr = 15 bis 30 und eine Permittivitäts
zahl im Bereich von εr < 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.
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R071 | Expiry of right |