DE19959732A1

DE19959732A1 - Induktive Vorrichtung

Info

Publication number: DE19959732A1
Application number: DE1999159732
Authority: DE
Inventors: Chris W Chrystowski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-13

Abstract

Eine induktive Vorrichtung mit wenigstens einem induktiven Bauelement, das wenigstens eine Wicklung aus einem elektrischen Leiter aufweist, der um eine Kreiszylinderfläche eines Kernes oder Kernteils aus magnetischem Werkstoff gewickelt ist, wobei der elektrische Leiter der wenigstens einen Wicklung aus einer HF-Litze 2 mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt gebildet ist und mehrere Leiter zu einem wendelförmigen sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Kreiszylinderfläche in seiner Breite ausdehnenden Band 3 gestapelt sind und das Band 3 zu einem ring- oder rohrförmigen Wicklungskörper 4 um die Kreiszylinderfläche des Kerns bzw. Kernteils gewickelt ist, wobei jeweils nach einer Windung die eine Bandseite an der anderen Bandseite anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Vorrichtung, mit wenig stens einem induktiven Bauelement, das wenigstens eine Wick lung aus einem elektrischen Leiter aufweist, der um eine Kreiszylinderfläche eines Kernes oder Kernteils aus magneti schem Werkstoff gewickelt ist.

Stand der Technik

Es ist bekannt, zur Herstellung von Transformatoren, Drossel spulen und dergleichen einen Kern aus magnetischem Material mit einem elektrischen Leiter zu bewickeln. Aufgrund des im wesentlichen kreisrunden Querschnitts der elektrischen Leiter ergeben sich auch bei der dichtest möglichen Packung Zwi schenräume zwischen den Wicklungslagen. Hieraus ergibt sich nicht nur eine begrenzter Füllfaktor, sondern es wird auch die Wärmeableitung beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine induktive Vorrich tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein optimaler Füllfaktor erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrische Leiter für die wenigstens eine Wicklung aus einer HF-Litze mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt gebildet ist und mehrere derartige Litzen zu einem wendelför migen sich im wesentlichen zur Achse der Kreiszylinderfläche des magnetischen Kernes bzw. Kernteiles in seiner Breite ausdehnenden Band gestapelt sind und daß das Band zu einem ring- oder rohrförmigen Wicklungskörper um die Kreiszylinder fläche des Kern bzw. Kernteils gewickelt ist, wobei jeweils nach einer Windung die eine Bandseite an der anderen Bandsei te anliegt. Die jeweilige Litze wird aus mehreren miteinander verseilten oder verdrillten Drähten, die voneinander z. B. mittels Lackschichten elektrisch isoliert sind, gebildet.

Die Dicke des Bandes, welches durch die aufeinandergestapel ten HF-Litzen entsteht, entspricht einer Seite des quadrati schen bzw. rechteckigen Querschnitts der Litze. Die Wendel des Bandes besitzt einen Innendurchmesser, welcher dem Außen durchmesser der Kreiszylinderfläche des Kern bzw. Kernteils entspricht und einen Außendurchmesser, welcher der außenlie genden Raumbegrenzung entspricht, innerhalb welcher der ring- bzw. rohrförmige Wicklungskörper im magnetischen Kern anzu ordnen ist. Durch den quadratischen bzw. rechteckigen Quer schnitt der HF-Litzen sowie dadurch, daß bei aufeinanderfol genden Windungen des Wicklungskörpers die eine Bandseite an der anderen Bandseite der jeweils benachbarten Windung liegt, erreicht man eine annähernd 100%-ige Raumausnutzung durch den elektrischen Leiter.

In bevorzugter Weise werden als magnetische Kerne solche verwendet, die einen E-förmigen Axialschnitt aufweisen und bei denen der rohr- bzw. ringförmige Wicklungskörper in einem Ringraum des Kerns zwischen dem Kernbutzen und dem äußeren Kernteil angeordnet ist. Ferrit-Kerne sind hierzu geeignet.

Es können auch U-förmige Kerne verwendet werden, wobei auf einem oder auf beiden Schenkeln des Kernes ein Wicklungskör per angeordnet ist.

Es können derartige induktive Bauelement, welche als Trans formatoren oder Drosselspulen ausgebildet sind, miteinander zu einer induktiven Vorrichtung bzw. Baueinheit in Modulbau weise kombiniert werden.

Durch den speziellen Aufbau der induktiven Vorrichtung kann in einfacher Weise eine Spannung, welche als Hilfs- oder Meßspannung oder dergleichen verwendet wird, ausgekoppelt werden. Es können auch mehrere Spannungen in beliebigem Teilerverhältnis, welches frei programmierbar ist, ausgekop pelt werden. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der induktiven Baueinheit besitzt diese einen Kopplungsfaktor, welcher annähernd 100% beträgt. Die Auskopplung kann durch Auskoppeln einzelner die Litzen bildenden Drähte erfolgen, wobei für die Drähte unterschiedliche Farben der Isolierun gen, insbesondere Isolierlacke verwendet werden können. Gegebenenfalls können die Drähte auch unterschiedlich hohe Spannungsfestigkeiten aufweisen, welche durch unterschiedli che Dicken der Isolierlackschichten erzielt werden können. Die Drähte werden bevorzugt an den Litzenenden bzw. am jewei ligen Ende des Wicklungskörpers ausgekoppelt. Es ist jedoch auch möglich die Auskopplung am Wicklungskörper vorzunehmen.

Beispiele

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfin dung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein induktives Bauelement, welches ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch das induktive Bau element der Fig. 1;

Fig. 3 eine aus verschiedenen induktiven Bauelementen gebildete induktive Vorrichtung, welche beispiels weise als Gleichstromwandler zum Einsatz kommen kann;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine induktive Vorrichtung, die im Modulbauweise aus mehreren induktiven Bauelementen zusammen gesetzt ist;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem U-förmigen magnetischen Kern; und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, das ebenfalls einen U-förmigen feromagnetischen Kern aufweist.

In den Fig. 1 und 2 ist ein induktives Bauelement 13, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, dargestellt. Diese weist einen magnetischen Kern 1, insbesondere E-Kern auf. Dieser besitzt einen Kernbutzen 6 mit kreiszylindrischer Oberfläche. Äußere Kernteile 5, welche sich parallel zum Kernbutzen 6 erstrecken, können an ihrer Außenfläche ebene Flächen aufweisen oder ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet sein. Die Innenfläche der äußeren Kernteile 5 ist konzen trisch mit dem Kernbutzen 6 um eine Kernachse 14 kreiszylin drisch ausgebildet. Die eine Kernseite 12 ist geschlossen und die andere Kernseite ist zwischen dem Kernbutzen und den äußeren Kernteilen 5 geöffnet. Es kann auch nur ein äußerer Kernteil 5 vorgesehen sein.

Der Zwischenraum zwischen dem Kernbutzen 6 und dem äußeren Kernteil 5 bzw. den äußeren Kernteilen 5 wird von einem Wicklungskörper 4 ausgefüllt. Der Wicklungskörper 4 besteht aus mehreren HF-Litzen 2, welche einen bevorzugterweise quadratischen Querschnitt aufweisen. Jede HF-Litze 2 besteht aus verseilten oder verflochtenen dünnen Einzeldrähten, die voneinander durch Isolierschichten, z. B. Lackschichten elektrisch isoliert sind. Mehrere HF-Litzen mit dem quadrati schen oder rechteckigen Querschnitt sind zu einem Band 3 übereinandergestapelt. Die Dicke des Bandes entspricht der Breite des Querschnitt der HF-Litzen. Es ist auch möglich, Litzen mit rechteckigem und quadratischem Querschnitt über einander zu stapeln, wobei jedoch eine einheitliche Breite des Bandes 3, das aus den übereinandergestapelten HF-Litzen 2 gebildet wird, erreicht wird. Hierzu sind die Seiten des Querschnittsquadrates und die Seiten des Querschnittrechtecks der jeweiligen Litzen aufeinander abgestimmt. Die Höhe bzw. die Breite B (Fig. 2) des Bandes 3 entspricht dem radialen Abstand der kreiszylindrischen Oberfläche des Kernbutzens 6 von der kreiszylindrischen Innenfläche des äußeren Kernteils 5 bzw. der äußeren Kernteile 5.

Das aus den HF-Litzen 2 gebildete Band 3 ist mit seinen Windungen um den Kernbutzen 6 angeordnet. Hierbei erstreckt sich die Breite B des Bandes 3 senkrecht zur Kernachse 14 bzw. zur kreiszylindrischen Oberfläche des Kernbutzens 6. Die Windungen des Bandes 3 sind so angeordnet, daß jeweils nach einer Windung die eine Bandseite an der anderen Bandseite anliegt, wie bei einer Möbius-Schleife. Hierdurch wird ein Wicklungskörper 4 gebildet, der den Ringraum zwischen dem äußeren Kernteil 5 bzw. den äußeren Kernteilen 5 und dem Kernbutzen 6 vollständig ausfüllt. Man erreicht abgesehen von den Isolierschichten, die die HF-Litzen an ihrer Außenfläche haben, eine 100%-igen Füllfaktor im Kerninnenraum. Der äußere Kernteil 5 besitzt an seinem Umfang wenigstens eine Öffnung.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei Öffnungen vorgesehen. Die zu dem gewickelten Band gestapelten HF-Litzen 2 werden mit ihren Litzenenden 7, 8 aus der glei chen Öffnung am Umfang des äußeren Kernteiles 5 herausge führt, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die herausge führten Litzenenden 7, 8 befinden sich am jeweiligen Ende des Wicklungskörpers 4. Die HF-Litzen können in der Weise ver drahtet bzw. verschaltet sein, daß das induktive Bauelement 13 eine Transformator-Funktion oder Drosselfunktion ausübt.

Mehrere induktive Bauelemente 13 können in Modulbauweise zu einer induktiven Vorrichtung kombiniert werden. Hierzu werden im folgenden verschiedene Ausführungsformen erläutert.

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei induktive Bauelemente, welche als Transformatoren 15, 16 ausgebildet sind, mit ihren offenen Seiten aneinandergelegt sind. Die beiden Transformatoren können im Gegentakt betrie ben werden. Die beiden Kerne sind magnetisch gekoppelt. An den beiden Außenseiten 12 der Kerne der beiden Transformato ren 15, 16 können Kerne von induktiven Bauelementen, die Drosseln 17, 18 ausgebildet sind, magnetisch angekoppelt sein. Die Durchmesser der Kerne der beiden Drosseln 17, 18 und der beiden Transformatoren können gleich oder unter schiedlich, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, sein. Ferner kann zwischen den beiden Kernen der Transformatoren 15, 16 eine magnetische Platte oder Folie 11 aus einem star ren Material angeordnet sein, um ungleiche Belastungen der Transformatoren 15, 16 auszugleichen. Luftspalte 9 befinden sich zwischen den freien Enden der Kernbutzen 6 der beiden Drosseln 17, 18 und den geschlossenen Kernseiten 12 der beiden Transformatoren 15, 16.

Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere induktive Bauelemente 13, deren Kerne jeweils magne tisch miteinander gekoppelt sind, in Modulbauweise für bei spielsweise einen mehrphasigen Betrieb in Reihe angeordnet. Auch bei dieser Anordnung können externe Drosseln 17, 18 mit ihren Kernen magnetisch an die Kerne der innenliegenden induktiven Bauelemente 13 angekoppelt sein. Auch bei dieser Ausführungsform können die Kerne der äußeren Drosseln gleiche Außendurchmesser bzw. Außenabmessungen aufweisen, wie die Kerne der innenliegenden induktiven Bauelemente. Luftspalte 10 sind zwischen den freien Enden der Kernbutzen 6 und den geschlossenen Kernseiten 12 vorgesehen.

Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispie len werden für die induktiven Bauelemente 13 E-förmige Kerne 1 verwendet, die in Modulbauweise miteinander kombiniert werden können.

Bei den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispie len, sind die ferromagnetischen Kerne 1 des induktiven Bau elements 13 U-förmig ausgebildet. Der jeweilige Wicklungskör per 4 ist beim Ausführungsbeispiel 5 um beide Schenkel des U- förmigen Kernes 1 gewickelt. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist um einen der beiden Schenkel des U-förmigen Kernes 1 der Wicklungskörper 4 angeordnet. Die freien Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Kernes 1 können über die ferromagnetische Folie bzw. Platte 11 miteinander verbunden sein. Die ferromagnetische Platte 11 bzw. Folie wirkt wie ein Joch. Je nach Verwendungszweck kann zwischen der ferromagne tischen Platte 11 und einem freien Ende eines jeweiligen Schenkels ein Luftspalt, beispielsweise bei Verwendung als Drossel vorgesehen sein. Bei der Verwendung als Transistor wird in bevorzugter Weise kein Luftspalt vorgesehen. Mehrere der in den Fig. 5 und 6 dargestellten induktiven Bauelemente 13 können in Modulbauweise miteinander kombiniert werden, um beispielsweise mehrphasig betreibbare induktive Vorrichtungen zu bilden, wie es bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 der Fall sein kann.

Die Schenkel, um welche der bzw. die Wicklungskörper 4 ange ordnet sind, besitzen bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 eine kreiszylindrische Oberfläche.

Da die Litzen 2 und die die Litzen bildenden Drähte voneinan der elektrisch isoliert sind, können Spannungen aus dem jeweiligen induktiven Bauelement 13 ausgekoppelt werden. Dies kann in beliebigem Teilerverhältnis frei programmierbar erfolgen. Hierzu können Litzen oder einzelne Drähte, welche die Litzen bilden, ausgekoppelt werden. In bevorzugter Weise können die ausgekoppelten Drähte durch unterschiedliche Farben der Isolierschichten, insbesondere Lackschichten gekennzeichnet sein. Gegebenenfalls können zur erhöhten Spannungsfestigkeit die einzelnen Drähte, unterschiedlich dicke Isolierschichten (Lackschichten) tragen. Aufgrund des speziellen Aufbaus des Wicklungskörpers 4 erreicht man einen hohen Kupplungsfaktor, zwischen den einzelnen Drähten bzw. Litzen. Der Kopplungsfaktor beträgt annähernd 100%.

Bezugszeichenliste

1

magnetischer Kern

2

HF-Litze

3

Band

4

Wicklungskörper

5

äußerer Kernteil

6

Kernbutzen

7

Litzenende

8

Litzenende

9

Luftspalt

10

Luftspalt

11

magnetische Folie (Platte)

12

geschlossene Kernseite

13

induktives Bauelement

14

Kernachse

15

Transformator

16

Transformator

17

Drossel

18

Drossel

Claims

1. Induktive Vorrichtung mit wenigstens einem induktiven Bauelement, das wenigstens eine Wicklung aus einem elek trischen Leiter aufweist, der um eine Kreiszylinderfläche eines Kernes oder Kernteils aus magnetischen Werkstoff gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektri sche Leiter der wenigstens einen Wicklung aus einer HF- Litze (2) mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt gebildet ist, daß mehrere Leiter zu einem wendelförmigen sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Kreiszylin derfläche in seiner Breite ausdehnenden Band (3) gesta pelt sind und daß das Band (3) zu einem ring- oder rohr förmigen Wicklungskörper (4) um die Kreiszylinderfläche des Kerns bzw. Kernteils gewickelt ist, wobei jeweils nach einer Windung die eine Bandseite an der anderen Bandseite anliegt.

2. Induktive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern (1) einen E-förmigen Querschnitt für axiale Schnitte aufweist und daß der ring- oder rohr förmige Wicklungskörper (4) den Ringraum zwischen dem äu ßeren Kernteil (5) und dem Kernbutzen (6) vollständig ausfüllt.

3. Induktive Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kernteil (5) an seinem Um fang wenigstens eine Öffnung ausweist, durch welche die beiden Litzenenden (7, 8) der jeweiligen zum gewendelten Band (3) gestapelten HF-Litzen (2) geführt sind.

4. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine induktive Bauelement (13) als Drossel, Filter oder Transformator ausgebildet ist.

5. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr induktive Bau elemente (13) zu einer Baueinheit kombiniert sind.

6. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei induktive Bauelemente (13) mit den offenen Seiten ihrer E-förmigen Kerne (1) aneinander liegend angeordnet sind.

7. Induktive Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen die beiden E-förmigen Kerne (1) eine magnetische Platte oder Folie (11) gelegt ist.

8. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere induktive Bauelemente (13) mit den offenen Kernseiten ihrer E- förmigen Kerne an der geschlossenen Kernseite (12) des jeweils benachbarten Kernes anliegend zu einer Baueinheit kombiniert sind.

9. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der aus meh reren induktiven Bauelementen (13) zusammengesetzten Bau einheit als Drosseln (17, 18) ausgebildete induktive Bau elemente (13) angeordnet sind.

10. Induktive Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß an den freien Enden der Kernbutzen (6) der Drosseln (17, 18) Luftspalte (10) gebildet sind.

11. Induktive Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der ferromagnetische Kern (1) U-förmig aus gebildet ist und um einen oder um beide Schenkel jeweils ein Wicklungskörper (4) angeordnet ist.

12. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Litzen (2) bildenden Drähte voneinander elektrisch isoliert sind.

13. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Spannungen aus dem jeweiligen induktiven Bauelement (13) auskoppel bar ist bzw. sind.

14. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus mehreren Litzen (2) bestehenden Wicklungskörper (4) eine oder mehrere Litzen auskoppelbar ist bzw. sind.

15. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht oder mehrere Dräh te, welche die Litzen (2) bilden, auskoppelbar ist bzw. sind.

16. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgekoppelten Drähte oder Litzen durch unterschiedliche Farben kodiert sind.

17. Induktive Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte mit Isolierschich ten unterschiedlicher Dicke beschichtet sind.