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Erfindungsgebiet
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Wicklungsanordnung für eine induktive Leistungskomponente. Die Aufgabe der Erfindung ist insbesondere eine Wicklungsanordnung, bei der die Wicklung aus einem dicken, schienenförmigen Material hergestellt wird und die Wicklung eine Anzahl verschachtelter Windungen umfasst.
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Allgemeiner Stand der Technik und Beschreibung des Problems
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Der allgemeine Entwicklungstrend von Leistungselektronikeinrichtungen wie etwa Frequenzwandlern ist eine Zunahme bei der Leistungsdichte. In der Technik ist bekannt, dass das Handhaben von großer Leistung in einer kleinen Einrichtung eine effektive Kühlung der sich auf dem Weg des Hauptstroms befindenden Komponenten erfordert, wie etwa eine Flüssigkeitskühlung oder eine Luftkühlung, die mit einem Gebläse unterstützt wird. Aus Kostengründen wird Flüssigkeitskühlung meistens nur in Hochleistungseinrichtungen, z. B. in Frequenzwandlern über 100 kW, verwendet.
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Die Filterdrosseln, die den Hauptstrom begrenzen, sind in der Regel Komponenten, in denen erhebliche Verlustleistung erzeugt wird, zum Beispiel kann in einem Frequenzwandler die Verlustleistung der Drosseln in der Größenordnung von 1% der Nennleistung der Einrichtung liegen. Drosseln sind induktive Komponenten, die aus einem Rahmenteil bestehen, das aus einem ferromagnetischen Kernmaterial hergestellt ist, und aus Wicklungen, die Strom leiten, in denen normalerweise das meiste der Verlustleistung erzeugt wird.
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Zum Begrenzen der Verlustleistung insbesondere bei hohen Leistungen besteht eine übliche Lösung darin, die Wicklung aus einem Kupferstab mit rechteckigem Querschnitt herzustellen.
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Ein Problem bei der Herstellung dieser Art von Wicklung, insbesondere wenn die Wicklung eine Anzahl verschachtelter Windungen umfasst, ist das Herausführen des Endes der Wicklung aus der innersten Schicht. Beispielsweise erfordert bei der allgemein verwendeten Austrittslösung gemäß 2 zum Herausführen des Endes der Wicklung in der radialen Richtung das Herausführen des Endes eine große Kraft, um den Wicklungsstab in die benötigte Form zu drehen. Außerdem erschwert das radiale Einleiten das Kühlen einer flüssigkeitsgekühlten Wicklung, die in ein Isoliermaterial gegossen ist, das Wärme gut leitet, wobei die Kühlung auf Wärmeleitung in der axialen Richtung basiert.
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Das oben beschriebene Problem existiert nicht, falls die Wicklung aus zwei Schichten besteht, z. B. gemäß 3. Diese Lösung erfordert das Fügen der innersten Wicklungswindungen der Schichten, was wiederum ein Problem ist aufgrund des durch das Fügen erforderlichen zusätzlichen Teils. Das zusätzliche Teil und die Fixierteile, die dadurch erforderlich sind, benötigen Raum, und bekannterweise bilden zusätzliche Fügestellen ein Risiko, das die Zuverlässigkeit über eine lange Zeitspanne reduziert. Das zusätzliche Teil und seine Verbindung mit den Wicklungsenden führt auch zu zusätzlicher Arbeit und zusätzlichen Kosten.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Erzielung einer neuen Art von Anordnung, durch die die Nachteile von Lösungen nach dem Stand der Technik vermieden werden, und der Erzielung einer zuverlässigen und kosteneffektiven Wicklungslösung. Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß der Erfindung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, was in dem Kennzeichnungsteil des unabhängigen Anspruchs offenbart ist. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind die Aufgabe der abhängigen Ansprüche.
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Das für die Erfindung charakteristische Hauptprinzip ist, dass der Wicklungsleiter aus einem einstückigen rechteckigen Leiter hergestellt wird (z. B. einem Kupferstreifen oder einem Aluminiumstab). Außerdem ist es für die Erfindung charakteristisch, dass der Wicklungsleiter zu einer geraden Anzahl an Wicklungsschichten eine über der anderen gebogen wird, wobei in jeder der Schichten eine Anzahl verschachtelter Windungen vorliegen kann. Wegen der geraden Anzahl von Schichten befinden sich beide Enden der Wicklung auf dem Außenring, so dass ein Austritt für das Wicklungsende aus dem Innenring, was der Stand der Technik erfordert (2), unnötig ist. Wegen der einstückigen Wicklung ist die Verbindung der Wicklungsenden am Innenring gemäß dem Stand der Technik (3) unnötig.
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Die Lösung gemäß der Erfindung ermöglicht für einen einstückigen Wicklungsleiter eine Form, bei der eine seitliche Verschiebung, bevorzugt zwischen jeder Schicht, der gleichen Abmessung wie der Breite des Leiters plus der aggregierten Abmessung der Isolationen zwischen den Wicklungsschichten, vorliegt. Wegen der Verschiebung erfolgt die Grenzfläche zwischen zwei Wicklungsschichten am Innenring der Wicklung ohne Löten, Schweißen oder separate Fügeteile.
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Der einstückige Wicklungsleiter gemäß der Erfindung kann aus einem stangenförmigen dicken Leiter gebogen werden oder er kann aus einer Anzahl parallel geschalteter dünnerer streifenförmiger Leiter zusammengesetzt werden.
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Die Erfindung kann auch auf die Wicklungen eines Transformators angewendet werden, insbesondere wenn die Anzahl der Windungen sowohl der Primär- als auch der Sekundärwicklung die gleiche ist.
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Die Wicklungslösung gemäß der Erfindung ist herstellungsfreundlich und vorteilhaft bezüglich Kosten. Die Raumanforderung davon ist die kleinstmögliche, was eine kompakte Drosselstruktur ermöglicht. Das Fehlen jeder Notwendigkeit für separate Fügeteile erhöht auch die Zuverlässigkeit einer induktiven Leistungskomponente. Die Wicklungsstruktur ist auch unter dem Gesichtspunkt der in der axialen Richtung stattfindenden Flüssigkeitskühlung vorteilhaft.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einiger Beispiele ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
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1 die Hauptschaltung eines Frequenzwandlerantriebs,
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2A und 2B die Struktur einer induktiven Leistungskomponente,
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3A und 3B eine Wicklungslösung nach dem Stand der Technik,
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4 Wicklungsleiter gemäß der Erfindung,
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5 eine Wicklungslösung gemäß der Erfindung und
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6 eine Wicklungslösung gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 beschreibt die Hauptschaltung eines Frequenzwandlers FC, wobei die zu ihm gehörenden induktiven Komponenten einige Beispiele des Anwendungspunkts der Wicklungslösung gemäß der Erfindung sind. Die Hauptschaltung umfasst eine Netzwerkbrücke REC, die die drei Phasen L1, L2, L3 des Versorgungsnetzwerks in die Gleichspannung der Zwischenschaltung gleichrichtet, welche Gleichspannung mit einem als Energiespeicher funktionierenden Kondensator CDC gefiltert wird. Eine Inverterbrücke INU bildet sich aus der Gleichspannung der dreiphasigen Zwischenschaltungsausgangsspannung U, V, W. Die Funktionseinheiten REC und INU, die aus Leistungshalbleiterkomponenten bestehen, sind dem Fachmann bekannt und unter dem Standpunkt der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Signifikanz, weshalb sie in diesem Kontext nicht ausführlicher beschrieben werden.
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Zum Filtern der Harmonischen des Netzwerkstroms, den der Frequenzwandler aufnimmt, sind induktive Komponenten normalerweise entweder mit der Eingangsseite (3 x LAC1) oder der Ausgangsseite (LDC+, LDC–) der Netzwerkbrücke verbunden. Wenn der Frequenzwandler eine sogenannte aktive Netzwerkbrücke umfasst, wird normalerweise auf der Netzwerkseite anstelle der in der Figur vorgestellten Diodenbrücke eine Filtereinheit verwendet, die aus zwei dreiphasigen Drosseln (3 x LAC1 und mit gestrichelten Linien beschrieben 3 x LAC2) und aus den Kondensatoren (mit gestrichelten Linien 3 X C beschreiben) besteht, die zwischen sie geschaltet sind.
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2A stellt einen sogenannten ferromagnetischen einstückigen Kernrahmen vom Topfkerntyp vor, wie er vorteilhafterweise in der Wicklungslösung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Kern besitzt eine runde Basis 22, mit der eine runde Mittelsäule 25 verbunden ist, und einen hohlzylindrischen Außenring 21. In der Mitte der Mittelsäule kann es ein Loch zu Fixierzwecken geben. Ein leerer Raum 24 bleibt zwischen der Mittelsäule und dem Außenring, in dem die Wicklung angeordnet ist. In dem Außenring gibt es für die Austritte der Wicklungsenden eine oder mehr Öffnungen 23.
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2B stellt eine typische Baugruppe aus einer Drossel oder einem Transformator vor, wobei zwei Topfkern-Kerne 21 Fläche an Fläche angeordnet sind, um eine Wicklung zu umgeben, deren Enden 26 in diesem Beispielsfall aus der gleichen Seite des Kerns herausgeführt sind. Es ist vorteilhaft, diese Art von Struktur mit einer Flüssigkeit zu kühlen, und bei einer derartigen Anordnung ist es vorteilhaft, den Wicklungsraum mit einem Material vollzugießen, das Wärme gut leitet, zum Beispiel einem Epoxidharz, um die in der Wicklung erzeugte Wärme in den Kernrahmen zu leiten. Von dem Kernrahmen kann die Wärme bevorzugt über seine flachen äußeren Oberflächen in der axialen Richtung zu den gegen diese Oberflächen gedrückten Flüssigkeitskühlern transferiert werden.
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Die 3A und 3B stellen das Prinzip vor, wie eine Wicklung, die aus einem Leiter hergestellt wird, der aus einer dicken Sammelschiene besteht, die von rechteckigem Querschnitt ist, wie sie allgemein bei hohen Leistungspegeln verwendet wird, innerhalb eines Kerns gemäß dem Stand der Technik angeordnet werden kann, zum Beispiel gemäß 2B.
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3A stellt die Gestalt der Wicklung bei Betrachtung aus der Richtung der Rotationsachse des kreisförmigen Kerns dar. Der Wicklungsleiter 32, mit einer dicken schwarzen Linie beschrieben, tritt in den Kernrahmen 31 von der Öffnung 34 ein und wickelt sich von dem Außenring nach innen bei Betrachtung aus der axialen Richtung um ein oder mehrere verschachtelte Windungen innerhalb des Außenrings um die Mittelsäule (nicht dargestellt) auf einer ersten Ebene. Am Ende der innersten Windung muss, um zur Öffnung 34 zurückzukehren, der Wicklungsleiter zu einer zweiten Ebene mit Hilfe eines Fügestücks 33 ansteigen, mit welchem Fügestück der Rückleiter 35 ebenfalls verbunden ist. Der Rückleiter 35 kann gemäß 3A direkt in die Öffnung 34 eintreten oder er kann sich vom Innenring nach außen wickeln unter Bildung einer zweiten Wicklungsschicht entsprechend der ersten Wicklungsschicht, bis er die Öffnung 34 für die Ausgabegrenzfläche erreicht.
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4 stellt einige Beispiele von einstückigen Leitern gemäß der vorliegenden Erfindung vor. Eine seitliche Verschiebung ist im Wicklungsleiter W41 im oberen Teil der Figur angeordnet worden, wobei mit Hilfe dieser seitlichen Verschiebung der Ebenenversatz zum Beispiel der in 3A beschriebenen Wicklung von der ersten zur zweiten Schicht ohne ein Fügeteil gemäß dem Stand der Technik angeordnet werden kann. Für die Form der seitlichen Verschiebung gibt es viele Alternativen, zum Beispiel gemäß einem rechteckigen Wicklungsleiter W41 oder gemäß einem parallelogrammförmigen Wicklungsleiter W42. Es ist in der Technik bekannt, dass sich die scharfen Kanten von Hochstromsammelsammelschienen aufgrund von Wirbelströmen leicht aufheizen, weshalb eine seitliche Verschiebung in der Form eines an seinen Ecken abgerundeten Parallelogramms gemäß dem Wicklungsleiter W43 besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß der Erfindung ist unabhängig von der Form der seitlichen Verschiebung die Größe dS davon mindestens die Summe der Breite dW des Wicklungsleiters und des Isolationsabstands dI zwischen den Wicklungsschichten: dS = dW + dI [1]
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In der Praxis kann der Wicklungsleiter gemäß der Erfindung vorteilhafterweise hergestellt werden, indem er aus plattenförmigem Rohmaterial geschnitten wird und die benötigte seitliche Verschiebung zu der Schnittlinie geformt wird.
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5 stellt einen Querschnitt einer Wicklung dar, bei dem es zwei Schichten 51, 52 gibt, die übereinander um die gleiche (nicht dargestellte) Mittelachse angeordnet sind, wobei jede der Schichten drei verschachtelte Windungen 53, 54 und 55 umfasst und wobei die seitliche Verschiebung S gemäß der Erfindung die innersten Windungen 55 beider Wicklungsschichten miteinander verbindet.
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Falls es eine Anzahl von Wicklungsschichten gibt, kann die gleiche seitliche Verschiebung zwischen jeder Schicht verwendet werden. Beispielsweise können bei einer vierschichtigen Wicklung die Schichten 1 und 2 durch eine seitliche Verschiebung zwischen den innersten Wicklungswindungen verbunden sein, die Schichten 2 und 3 mit einer seitlichen Verschiebung zwischen den äußersten Windungen und die Schichten 3 und 4 mit einer seitlichen Verschiebung wieder zwischen den innersten Windungen. Die Anwendung der Erfindung hängt deshalb von einer geraden Anzahl von Wicklungsschichten ab, wobei sich dann beide Wicklungsenden auf dem Außenring befinden.
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Die seitliche Verschiebung gemäß der Erfindung erfordert in der axialen Richtung überhaupt keinen zusätzlichen Raum, so dass sich die Kantenebenen 57, 58 der Wicklungsleiter in jeder Wicklungswindung, wobei die Kantenebenen mit gestrichelten Linien dargestellt sind, auf der gleichen Ebene befinden können, was in einem Fall vorteilhaft ist, in dem die Wicklung in ein Isolationsmaterial gegossen wird, um Wärme auf die flachen Endoberflächen des Kernrahmens zu transferieren, z. B. bei Flüssigkeitskühlung.
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6 zeigt, wie ein dicker stabförmiger Wicklungsleiter gemäß der vorausgegangenen Figur durch eine Anzahl dünnerer streifenförmiger Leiter ersetzt werden kann, die leichter zu handhaben sind, wenn unter anderem die Leiter zu ihre Endgestalt gebogen werden. Die mit gestrichelten Linien beschriebenen Wicklungswindungen 61 und 62 stellen einen dicken Leiter dar, und die Anordnung, die mit zwei parallelen Leitern 63.1 und 63.2 implementiert ist und die gleiche kombinierte Leiterquerschnittsfläche besitzt, wobei die Anordnung in der dritten Wicklungswindung beschrieben ist, entspricht einem derartigen dicken Leiter. Eine Parallelschaltung der Leiter beeinflusst nicht die Isolation zwischen den Leiterschichten und Leiterwindungen, aber eine Isolation zwischen den parallelen Leitern ist unnötig.
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Die dünnen Leiter 63.1 und 63.2 gemäß der Figur können auch voneinander isoliert sein, wobei dann zwischen ihnen wegen des gemeinsamen Kernteils ein starker magnetischer Kreis vorliegt. Auf diese Weise kann die Wicklungslösung gemäß der Erfindung auch zum Ausbilden der Wicklung eines Transformators oder einer sogenannten Gleichtaktdrossel verwendet werden.
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Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht ausschließlich auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt sind, sondern dass sie innerhalb des Schutzbereichs der unten dargestellten Ansprüche variiert werden können.
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Die in der Beschreibung in Verbindung mit anderen charakteristischen Merkmalen möglicherweise vorgelegten charakteristischen Merkmale können, falls notwendig, separat voneinander verwendet werden.
