DE19907320A1 - Ringkern - Google Patents

Abstract

Ringkerne finden in der Elektrotechnik, insbesondere in Spulen zur Erhöhung der Induktivität, vielfach Verwendung. Beispielhaft sei hier erwähnt eine Drosselspule, deren Ohmscher Widerstand niedrig ist im Vergleich zum induktiven Blindwiderstand. Durch Einbau eines Ringkerns, beispielsweise eines lamellierten Eisenkerns, wird die Induktivität einer solchen Drosselspule wesentlich erhöht (Eisendrosseln). Ist der Eisenpfad geschlossen, so erhält er häufig Luftspalte, um den Einfluß der Eisensättigung zu vermindern (Luftspalt drosseln). Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ringkern vorzusehen, welcher die vorbeschriebenen Nachteile nicht aufweist und sich leichter und kostengünstiger herstellen läßt, wobei nur sehr geringe Streufelder entstehen und der gewünschte Verlauf der Magnetisierungskennlinie leicht erreichbar ist und sich genau definieren läßt. Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, den Ringkern aus wenigstens zwei lamellierten Schichten herzustellen, wobei die erste Schicht ein magnetisch und elektrisch leitendes Material ist und die zweite Schicht aus einem nicht magnetischen und nicht elektrisch leitenden Material besteht. Als erste lamellierte Schicht kann beispielsweise ein Dynamoblech verwendet werden, während für die zweite Schicht Papier oder Folie verwendet werden kann. Durch die Wahl der Dicke des nicht leitenden Materials, also der zweiten Schicht, lassen sich die gewünschten Magnetisierungskennlinien einstellen. Beispielsweise erhält man bei der ...

Description

Ringkerne finden in der Elektrotechnik, insbesondere in Spulen zur Erhöhung der In­ duktivität, vielfach Verwendung. Beispielhaft sei hier erwähnt eine Drosselspule, deren Ohmscher Widerstand niedrig ist im Vergleich zum induktiven Blindwider­ stand. Durch Einbau eines Ringkerns, beispielsweise eines lamellierten Eisenkerns, wird die Induktivität einer solchen Drosselspule wesentlich erhöht (Eisendrosseln). Ist der Eisenpfad geschlossen, so erhält er häufig Luftspalte, um den Einfluß der Eisensättigung zu vermindern (Luftspalt drosseln).

Mittels des Ringkerns lassen sich die Magnetisierungskennlinien von Spulen bzw. Induktivitäten auf einen gewünschten Wert einstellen. Solche Induktivitäten werden zunehmend in der modernen Leistungselektronik im höheren Leistungsbereich einge­ setzt. Nur beispielhaft sei ein Anwendungsbereich wie z. B. die Glättung von pulsie­ rendem Gleichstrom, Filtern von Gleichstrom, Entkoppeln von Systemen oder für Spannungsregler (Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller) erwähnt. Weitere Anwendungs­ gebiete für Induktivitäten mit einem Ringkern sind Kurzschlußdrosseln bei einem Wechselrichterzweig oder Filterdrosseln. Je nach Größe des Ringkern-Luftspaltes lassen sich dann verschiedene Magnetisierungskennlinien, wie sie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt sind, einstellen. Diese Magnetisierungskennlinien werden dann auch Hysteresisschleifen genannt.

Bei der Hysteresiskennlinie in Fig. 1 vom Typ a weist der Ringkern keinen Luftspalt auf. Bei der Hysteresis-Magnetisierungskennlinie vom Typ b weist der Ringkern einen relativ kleinen Luftspalt auf und bei der Hysteresis-Magnetisierungskennlinie vom Typ c weist der Ringkern einen sehr großen Luftspalt auf.

Der Luftspalt eines Ringkerns kann an einer Stelle konzentriert sein, so daß man den Spalt sehen und auch ausmessen kann (makroskopischer Luftspalt). Es können aber auch mehrere kleine Luftspalte über den magnetischen Kreis bzw. den Ringkern auf­ geteilt sein. Dann spricht man von einem sog. "mikroskopischen Luftspalt". Hierzu wird bei Eisenpulverkernen durch Beimischen von nichtmagnetischen Stoffen der effektive Luftspalt auf den ganzen Umfang verteilt. Ausführungsformen für einen makroskopischen und mikroskopischen Luftspalt zeigt Fig. 2.

Die Herstellung eines Ringbandkerns mit makroskopischem Luftspalt geschieht in der Regel wie folgt. Zunächst wickelt man ein Dynamoblech auf einen Kern, wel­ cher nach dem Wickelvorgang wieder entfernt wird. Dann schneidet man einen Luftspalt in den Ring mittels einer Säge, einem Laser oder einem ähnlichen Werk­ zeug. Sehr kleine Spalte lassen sich mit dieser Methode allerdings nur schwer und umständlich herstellen, da die Luftspaltbreite immer direkt von der Werkzeugbreite abhängt.

Bei der Herstellung von Ringkernen mit mikroskopischem Luftspalt ergeben sich ebenfalls Schwierigkeiten bei der genauen Definition des Luftspaltwertes, da die Verteilung der magnetischen und nichtmagnetischen Materialien über den Umfang in der Regel nicht zu 100% homogen erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ringkern vorzusehen, welcher die vorbeschrie­ benen Nachteile nicht aufweist und sich leichter und kostengünstiger herstellen läßt. Dabei ergeben sich weitere Vorteile wie eine genaue Definition des Verlaufs der Magnetisierungskennlinie und sehr geringe Streufelder.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch einen Ringkern mit den Merkma­ len nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, den Ringkern aus wenigstens zwei aufeinander aufgewickelten Materiallagen/Schichten herzustellen, wobei die erste Schicht aus einen magnetisch und elektrisch leitendes Material ist und die zweite Schicht aus einem nicht magnetischen und nicht elektrisch leitenden Material besteht. Als erste lamellierte Schicht kann beispielsweise ein Dynamoblech verwendet werden, während für die zweite Schicht Papier oder Folie verwendet werden kann. Durch die Wahl der Dicke des nicht leitenden Materials, also der zweiten Schicht, lassen sich die gewünschten Magnetisierungskennlinien einstellen. Beispielsweise erhält man bei der Verwendung von sehr dünnem Schichtmaterial, wie sehr dünnem Papier, eine nur sehr leicht gescherte Kennlinie, was einem sehr, sehr kleinem Luftspalt entspricht. Soll die Scherung der Kennlinie größer ausfallen, kann entsprechend dickeres, nicht leitendes Schichtmaterial verwendet werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Ringkerns liegen auf der Hand. Da nur ein Wickelvorgang notwendig ist und auch keine Spezialmaterialien wie bei bisherigen Ringkernen mit mikroskopischem Luftspalt verwendet werden müssen, lassen sich mit üblichen auf dem Markt erhältlichen Materialien Ringkerne herstellen, die je nach Wahl der Materialien und insbesondere der Materialdicken eine gewünschte Magne­ tisierungskennlinie aufweisen. Insbesondere die Fertigung von Ringkernen mit einer sehr leicht gescherten Kennlinie ist einfach durchzuführen, indem nur sehr dünnes, nicht leitendes Material verwendet wird. Dies hat zur Folge, daß eine Induktivität mit einem solchen Ringkern mit sehr leicht gescherter Kennlinie auch nur sehr ge­ ringe Streufelder aufweist, so daß bei sehr leistungsstarken Anwendungen in der Leistungselektronik keine Streufelder auftreten. Ein solcher Ringkern erfährt auch bei hohen Strömen/Magnetfeldern keine Verformung und ist daher ebenfalls für die Leistungselektronik bevorzugt geeignet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Teil des dargestellten Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Die Figuren stellen dar:

Fig. 1 Magnetisierungskennlinien für verschiedene Ringkerntypen;

Fig. 2 Ausführungsform von Ringkernen mit makroskopischen und mikroskopischen Luftspalten;

Fig. 3 Darstellung eines erfindungsgemäßen Ringkerns;

Fig. 4 Darstellung eines erfindungsgemäßen Ringkerns.

Fig. 1 zeigt drei verschiedene Kennlinientypen. Die Kennlinie vom Typ a zeigt eine Hystereseschleife einer Induktivität mit einem Ringkern ohne Luftspalt. Bei der Kennlinie vom Typ b ist die Kennlinie leicht geschert und der Ringkern weist einen relativ kleinen Luftspalt auf. Bei der Kennlinie vom Typ c ist die Kennlinie sehr weit geschert und der Ringkern weist einen sehr großen Luftspalt auf. Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ringkerns mit einem makroskopischen Luftspalt - Typ 1 - und eines Ringkerns mit einem mikroskopischen Luftspalt - Typ 2. Der Ringkern vom Typ 1 besteht beispielsweise aus einem magnetisch und elektrisch leitenden Material wie Dynamoblech. Der Ringkern vom Typ 2 besteht ebenfalls aus einem magnetisch und elektrisch leitenden Material, dem jedoch nicht magnetische Stoffe beigemischt sind.

Fig. 3 zeigt einen aus zwei Schichten bestehenden, aufgewickelten Ringkern. Die erste Schicht bzw. Lage - durchgezogene Linie - besteht hierbei aus einem Dynamo­ blech und die zweite Schicht/Lage - gestrichelte Linie - besteht aus einem magne­ tisch und elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus Papier oder einer Folie. Die gewünschte Magnetisierungskennlinie läßt sich bei einem solchen ge­ wickelten Ringkern durch die Zahl der Wicklungen und durch die Material- und Lagendickenwahl bestimmen. Wählt man für das nicht leitende Material eine relativ geringe Dicke im Vergleich zum Dynamoblech, erhält man im Ergebnis eine leicht gescherte Kennlinie, womit eine Induktivität in einem Ringkern mit sehr kleinem Luftspalt erreicht werden kann. Soll sich die Scherung der Kennlinie vergrößern, wird statt sehr dünnem nicht leitenden Material entsprechend dickeres nicht lei­ tendes Material verwendet. Selbstverständlich läßt sich die Magnetisierungskenn­ linie auch durch die entsprechende Wahl für die Dicke des leitenden Materials ein­ stellen, wobei es stets auf die Relation der Schichtdicken von leitendem und nicht leitendem Material ankommt.

Das Dynamoblech kann für Anwendungen für niedrige Frequenzen, z. B. 50 Hertz, eine Dicke von etwa 0,05 bis 0,6 mm aufweisen. Für Anwendungen mit höheren Betriebsfrequenzen können Blechstärken von 0,1 bis 0,3 mm zur Anwendung kommmen. Bei einer speziellen Anwendung des Ringkerns in einer Kurzschluß­ drossel bzw. in einem Hochsetzsteller konnte eine Dicke von 0,23 mm für die Materialschichtdicke des Dynamoblechs als sehr geeignet herausgefunden werden. Für die Dicke des magnetisch nicht leitenden Materials kommen Schichtdicken von etwa 0,01 bis 0,5 mm in Frage. Diese Materialdicke gibt bei der Anwendung die Höhe des maximalen Stromes der Drossel wieder. Für Kurzschlußdrosseln ist eine Schichtdicke von 0,1 mm für die nicht leitende Materiallage sehr gut geeignet.

Bekanntlich erzeugen Drosseln mit Luftspalten ein Streufeld. Fig. 5 zeigt eine solche bekannte Anordnung, in welcher neben dem Hauptfluß auch der Streufluß aufgetragen ist. Magnetische Feldlinien versuchen stets, den leichtesten Weg zu nehmen. Sie sollten in der gezeichneten Geometrie (Fig. 5) die Schenkel und die beiden Joche durchfließen. Dabei müssen die magnetischen Feldlinien aber 4 Luftspalte (magnetisch nicht leitende Strecken) überwinden. Bei dieser Geometrie werden sich leicht Streufelder ausbilden, da sie eine Alternative zum gewünschten Weg darstellen.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Ringkern und die zugehörige Hauptfluß- bzw. Streuflußverteilung. Da der effektive Luftspalt bei dem in Fig. 4 dargestellten Ringkern gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilt ist, ist die magnetische Leitfähigkeit homogen über die gesamte magnetische Länge gleich. Es gibt keine ausgeprägten Barrieren, wie einen konzentrierten Luftspalt, bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung.

Streufelder entstehen nur dann, wenn partiell der magnetische Widerstand kleiner ist, als der magnetische Widerstand des Hauptweges. Bei der normalen Aus­ führungsform mit konzentrierten Luftspalten (Fig. 5) ist dies der Fall. Bei einem Ringkern mit einem homogen verteilten Luftspalt ist dies weniger stark ausgeprägt. Daher ist die Streuung (der Streufluß) bei dem in Fig. 4 dargestellten Ringkern wesentlich geringer. Eine größere Streuung würde bedeuten, daß die wirksame Induktivität verkleinert wird. Das bedeutet, daß der erfindungsgemäße Ringkern weniger Windungen und weniger Kupfer benötigt, so daß sein Wirkungsgrad höher ist als von Ringkernen nach dem Stand der Technik.

Claims (8)

1. Ringkern, bestehend aus mit wenigstens zwei Lagen aufgewickelten Materialien, wobei die erste Materiallage aus einem magnetischen und elektrisch leitenden Material und eine zweite Materiallage aus einem nicht magnetischen und nicht elektrisch leitendem Material besteht.

2. Ringkern nach Anspruch 1, wobei die Schichtdicken der ersten und weiteren Lagen unterschiedlich sind.

3. Ringkern nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Materiallage eine sehr geringe Dicke aufweist.

4. Ringkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die zweite Materiallage Papier oder eine Folie verwendet wird.

5. Ringkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die erste Materiallage Dynamoblech verwendet wird.

6. Ringkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke der nicht leitenden Materiallage in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,05 mm liegt.

7. Ringkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht­ dicke der ersten Materiallage etwa 0,1 bis 0,7 mm beträgt.

8. Verwendung eines Ringkerns nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Induktivität für die Leistungselektronik.