DE4008424C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselspule mit einer auf einem zylinderförmigen, stab- oder rohrförmigen Wick­ lungsträger aus einem elektrisch isolierenden Material als Teilwicklungen aufgewickelten Drosselwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Drosselspule ist aus der US-PS 26 92 372 be­ kannt. In dieser Schrift ist eine Breitbanddrosselspule für Radiofrequenzen mit einem zylinderförmigen Wicklungsträger aus einem elektrisch isolierenden Material beschrieben, die jedoch relativ starke Streufelder erzeugt.

Drosselspulen für Stromrichter sind häufig ohne eigenen Wicklungsträger aufgebaut, wie z. B. aus der BBC-Druck­ schrift Nr. DVK 40 809 D, Seite 21, bekannt. Daneben ist es jedoch allgemein bekannt, Drosselspulen mit einer auf einem zylinderförmigen Wicklungsträger aufgewickelten Drossel­ wicklung herzustellen. Bei Einsatz einer Drosselspule in einem Stromrichter ist unter anderem von Wichtigkeit, daß die Drosselspule keine starken äußeren Magnetfelder abgibt und daß sie kompakt aufgebaut ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspule für einen Stromrichter der eingangs genannten Art anzuge­ ben, deren nach außen abgegebene Magnetfelder nur von ge­ ringer Wirkung sind.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur An­ wendung bei einem Stromrichter der Wicklungsträger minde­ stens zwei Wicklungsträgerabschnitte aufweist, die über Verbindungsteile miteinander verbunden sind, wobei die je­ weils die Teilwicklungen der Drosselwicklung tragenden Wicklungsträgerabschnitte gemäß dem Toroid-Prinzip derart angeordnet sind, daß sich die erzeugten Magnetfelder in ih­ rer Wirkung nach außen gegenseitig teilweise aufheben bzw. abschwächen, und wobei über die Verbindungsteile jeweils magnetische Abschirmkappen gestülpt sind.

Dabei ist es aus Siemens Components 18 (1980), Heft 6, Sei­ ten 294 bis 297 bekannt, stromkompensierte Drosseln bei Schaltnetzteilen einzusetzen, wobei diese Drosseln aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern bestehen und so gewickelt sind, daß sich für den 50-Hz-Versorgungsstrom der magneti­ sche Fluß im Kern kompensiert. Damit läßt sich Sättigung vermeiden, und die Induktivität bleibt voll für die hochfre­ quente (unsymmetrische) Störkomponente wirksam.

Aus der DE-AS 10 37 592 ist eine elektrische Drossel zum Betrieb von Leuchtstofflampen bekannt. Dabei greift eine Wicklung um Blechpakete, an deren Stirnseiten U-förmige Kappen aus magnetischem Baustoff vorgesehen sind, die Luft­ spalte zwischen den Blechpaketen abschirmen und somit Streufelder verringern.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß keine aufwendigen magnetischen Abschirm­ einrichtungen notwendig sind, um die störenden Magnetfelder zu reduzieren. Die gemäß dem Toroid-Prinzip aufgebaute Drosselspule ist darüber hinaus sehr kompakt, wodurch Ge­ wichts- und Raumvorteile erzielt werden, was insbesondere bei Einbau der Drosselspule in einem gekapselten Stromrich­ termodul von großer Wichtigkeit ist. Da die von der Dros­ selspule nach außen abgegebenen Magnetfelder sehr gering sind, werden nur relativ geringe Verluste in den metallenen Gehäusewandungen des Stromrichtermoduls erzeugt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer ersten Variante,

Fig. 2 einen seitlichen Schnitt durch eine Drosselspule gemäß der ersten Variante,

Fig. 3 eine Weiterbildung der Drosselspule gemäß der er­ sten Variante,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer zweiten Variante,

Fig. 5 eine dreiphasig ausgebildete Drosselspule ge­ mäß der zweiten Variante,

Fig. 6, 7 Details der Drosselspule gemäß der zweiten Variante,

Fig. 8 eine Einsatzmöglichkeit der Drosselspule bei einem Wechselrichter,

Fig. 9 den Strom und den magnetischen Fluß in den einzelnen Teilwicklungen der Drossel gemäß der zweiten Variante.

In Fig. 1 ist eine Aufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer ersten Variante dargestellt. Die Drosselspule weist einen Wicklungsträger aus einem elektrisch isolie­ renden Material, vorzugsweise einem Gießharz oder Poly­ amid auf. Der Wicklungsträger gemäß erster Variante be­ steht dabei aus vier getrennten, jeweils stab- oder rohrförmigen Wicklungsträgerabschnitten 1, 2, 3, 4, die in Form eines Rechteckes, vorzugsweise eines Quadrates angeordnet sind. Die Enden von jeweils zwei rechtwinklig nebeneinanderliegenden Wicklungsträgerabschnitten sind jeweils mittels eines Eckverbinders mechanisch miteinan­ der verbunden, und zwar verbindet im einzelnen der Eck­ verbinder 5 die Wicklungsträgerabschnitte 4 und 1, der Eckverbinder 6 die Wicklungsträgerabschnitte 1 und 2, der Eckverbinder 7 die Wicklungsträgerabschnitte 2 und 3 sowie der Eckverbinder 8 die Wicklungsträgerabschnitte 3 und 4. Die Eckverbinder 5 bis 8 bestehen ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Polyamid.

Zur Befestigung der Eckverbinder jeweils an den Enden der Wicklungsträgerabschnitte 1 bis 4 können Schraubbe­ festigungen 9, 10 vorgesehen sein. Hierzu greifen je­ weils Schrauben über Bohrungen in den Eckverbindern 5 bis 8 in entsprechende Bohrungen in den Enden der Wick­ lungsträgerabschnitte ein. Es können beispielsweise selbstschneidende Schrauben Verwendung finden.

Die Wicklung 11 der Drosselspule befindet sich in Form von vier Teilwicklungen auf den zylinderförmigen Wick­ lungsträgerabschnitten 1 bis 4. Vorzugsweise besteht der sich um die einzelnen Wicklungsträgerabschnitte schrau­ benförmig windende Wicklungsstrang aus einer Vielzahl elektrisch voneinander isolierter Einzeldrähte, was die elektrischen Verluste im Betrieb der Drosselspule vor­ teilhaft reduziert. Zum externen Anschluß der beiden nebeneinanderliegenden Wicklungsenden der Wicklung 11 sind zwei Kontaktanschlüsse 12 aus Metall vorgesehen, die vorzugsweise an einem der Eckver­ binder 5 bis 8 befestigt sind. Im übrigen sind die Teil­ wicklungen der Wicklung 11 durchgängig (ohne zusätzliche Verbindungsstelle) am Ort der drei nicht mit Kontaktan­ schlüssen 12 versehenen Eckverbinder.

Die bei Aufsicht quadratförmig ausgebildete Drosselspule gemäß vorstehend beschriebener erster Variante weist ein von den vier Wicklungsträgerabschnitten 1 bis 4 begrenz­ tes inneres Spulenfenster auf, das vorteilhaft zur Auf­ nahme eines in seinen Abmessungen entsprechend angepaß­ ten Kurzschließers 13 geeignet ist. Ein derartiger Kurz­ schließer 13 ist beispielsweise zur elektrischen Über­ brückung der beiden Anschlußpole einer einen Wechsel­ richter speisenden Gleichspannungszuführung notwendig. Zur Begrenzung des Kurzschlußstromes kann dem Kurz­ schließer ein Teil der Drosselspule in Reihe liegen, wozu zweckmäßig entsprechende Anzapfungen in der Dros­ selspule vorgesehen sind. Der Kurzschließer 13 weist ein Halbleiterbauelement, vorzugsweise einen Thyristor 14 auf, dessen zentrischer Anodenanschluß 15 in der Auf­ sicht gemäß Fig. 1 zu erkennen ist. Eine zu einer Spannvorrichtung für den Thyristor 14 gehörige Spann­ platte 16 ist in ihren Abmessungen extakt dem Spulenfen­ ster der Drosselspule angepaßt. In den vier Eckbereichen der quadratischen Spannplatte 16 befinden sich Bohrungen 17, die zur Durchführung von Spannstäben der Spannvor­ richtung für den Kurzschließer 13 dienen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Drosselspule kann zumindest einer der Wicklungsträgerabschnitte 1 bis 4 rohrförmig, d. h. hohl, ausgebildet sein, wobei das Rohr­ innere vorteilhaft mit einer zusätzlichen Zylinderspule, vorzugsweise einer mit dem Kurzschließer 13 elektrisch in Reihe schaltbaren Stromanstiegsbegrenzungsdrossel 18 bestückt ist. Diese Stromanstiegsbegrenzungsdrossel 18 weist eine um einen stabförmigen Wicklungskern 19 gewic­ kelte Wicklung 20 auf, deren Wicklungsenden über Kon­ taktanschlüsse 21 extern zugänglich sind.

Zur Befestigung der Drosselspule - beispielsweise inner­ halb eines kompakt aufgebauten, ölgekühlten Stromrich­ termoduls - sind die Eckverbinder 5 bis 8 jeweils mit Befestigungsbohrungen 22 versehen.

In Fig. 2 ist ein seitlicher Schnitt durch eine Drossel­ spule gemäß der ersten Variante dargestellt. Es sind die beiden rohrförmigen Wicklungsträgerabschnitte 1 und 3 mit der Wicklung 11 zu erkennen. Im Rohrinneren des Wick­ lungsträgerabschnittes 3 befindet sich die Stroman­ stiegsbegrenzungsdrossel 18 mit der um den stabförmigen Wicklungskern 19 aufgebrachten Wicklung 20. Im Spulen­ fenster ist der Kurzschließer 13 mit Thyristor 14, An­ odenanschluß 15, Spannplatte 16, Spannstäben und Tellerfedern angeordnet.

In Fig. 3 ist eine Weiterbildung der Drosselspule gemäß der ersten Variante dargestellt. Es sind die mit ent­ sprechenden Teilwicklungen versehenen Wicklungsträgerab­ schnitte 1 bis 4 (Wicklung 11) zu erkennen, wobei je­ weils über die verdeckten Eckverbinder 5 bis 8 magneti­ sche Abschirmkappen 43 bis 47 gestülpt sind, wodurch sich eine zusätz­ liche Abschwächung der erzeugten magnetischen Randfelder ergibt. Mit Ziffer 47 ist das Spulenfenster der Drossel­ spule bezeichnet.

In Fig. 4 ist eine Aufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer zweiten Variante dargestellt. Die Drosselspule weist zwei parallel und unmittelbar nebeneinander ange­ ordnete, mit einer Wicklung 30 versehene stab- oder rohrförmige Wicklungsträgerabschnitte 26, 27 auf, deren Enden jeweils mittels Verbindungsstücke 28, 29 miteinan­ der verbunden sind. Da die beiden Wicklungsträgerab­ schnitte 26, 27 eng benachbart angeordnet sind, ergibt sich eine kompakte quaderförmige Grundform der Drossel­ spule ohne Spulenfenster. Die extern zu kontaktierenden Wicklungsenden der Drosselspule sind mit 31, 32 und die Isolierung zwischen beiden Wicklungsteilen ist mit 62 bezeichnet. Gemäß einer Variante der Drosselspule sind zwei magnetische Abschirmkappen 41, 42 jeweils über die Verbin­ dungsstücke 28, 29 gestülpt, wodurch sich vorteilhaft eine weitere Abschwächung der nach außen wirkenden Ma­ gnetfelder (Randfelder) der Drosselspule ergibt.

In Fig. 5 ist eine dreiphasig ausgebildete Drosselspule gemäß der zweiten Variante dargestellt. Es sind drei Wicklungsträgerabschnitte 26A/27A, 26B/27B, 26C/27C ne­ beneinander angeordnet, wobei jeder der Wicklungsträger­ abschnitte gemäß der Anordnung nach Fig. 4 ausgebildet und mit einer Wicklung versehen ist. Die Wicklungsenden und Anzapfungen sind nicht dargestellt. Die Wicklungs­ trägerabschnitte 26A/27A der ersten Phase sind von ma­ gnetischen Abschirmkappen 41A, 42A, die Wicklungsträger­ abschnitte 26B/27B der zweiten Phase sind von magneti­ schen Abschirmkappen 41B, 42B und die Wicklungsträgerab­ schnitte 26C/27C der dritten Phase sind von magnetischen Abschirmkappen 41C, 42C begrenzt, wobei auf der magneti­ schen Abschirmkappe 41A eine Platte 48, zwischen den magnetischen Abschirmkappen 42A und 41B eine Platte 49, zwischen den magnetischen Abschirmkappen 42B und 41C eine Platte 50 sowie auf der magnetischen Abschirmkappe 42C eine Platte 51 vorgesehen sind. Die Platten 48 bis 51 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Die Wicklungsträgerabschnitte 26A, 26B, 26C sind durch einen gemeinsamen Spannstab 52 miteinander verbunden. Analog hierzu dient ein Spannstab 53 zur Verbindung der Wick­ lungsträgerabschnitte 27A, 27B, 27C.

In Fig. 6 und 7 sind Details der Drosselspule gemäß der zweiten Variante dargestellt. In Fig. 6 ist die Verspan­ nung der Platte 48, magnetischen Abschirmkappe 41A und Wicklungsträgerabschnitt 26A mittels des Spannstabes 52 gezeigt, d. h. die Verspannung am Randabschnitt der drei­ phasig ausgebildeten Drosselspule. Es ist eine Distanz­ hülse 54 zu erkennen, deren Konusfläche 55 in eine ent­ sprechend geformte Fläche im Wicklungsträgerabschnitt 26A eingreift. Am der Konusfläche 55 entgegengesetzten Ende weist die Distanzhülse 54 eine Schulter 56 mit an­ geformtem Distanzring 57 auf. Der Distanzring 57 greift durch eine entsprechende Bohrung in der Platte 48, wäh­ rend sich die Schulter 56 gegen die Platte 48 abstützt. Der Spannstab 52 greift durch den Wicklungsträgerab­ schnitt 26A, die Distanzhülse 54 und die Platte 48 und wird mittels Mutter 59 verschraubt, wobei die Mutter 59 über eine Unterlegscheibe 58 gegen die Platte 48 drückt.

Die Stärke der magnetischen Abschirmkappe 41A ist gerin­ ger als die Breite des entsprechenden Abschnittes der Distanzhülse 54 zwischen Schulter 56 und beginnender Ko­ nusfläche 55. Auf diese Weise wird vorteilhaft erzielt, daß die Spannkräfte nicht über die spröde, zerbrechliche magnetische Abschirmkappe 41A verlaufen, sondern von der Mutter 59 über die Unterlegscheibe 58, die Platte 48 und die Distanzhülse 54 zum Wicklungsträgerabschnitt 26A. Die weiteren Verspannungen an der Drosselspule sind gleichartig aufgebaut.

In Fig. 7 ist die Verspannung der beiden Wicklungsträ­ gerabschnitte 26A, 26B, der magnetischen Abschirmkappen 42A, 41B und der Platte 49 mittels des Spannstabes 52 gezeigt, d. h. die Verspannung in den mittleren Abschnit­ ten der dreiphasig ausgebildeten Drosselspule. Es sind zwei Distanzhülsen 60, 61 zu erkennen, deren Aufbau der Distanzhülse 54 gemäß Fig. 6 entspricht. Die Distanzrin­ ge beider Distanzhülsen 60, 61 pressen gegeneinander, so daß die Platte 49 zwischen beiden Schultern liegt. Die Konusflächen beider Distanzhülsen 60, 61 greifen in ent­ sprechende Flächen in den Wicklungsträgerabschnitten 26A, 26B ein. Die Stärke der magnetischen Abschirmkappen 42A, 41B ist wiederum geringer als die Breite der ent­ sprechenden Abschnitte der Distanzhülsen 60, 61 jeweils zwischen Schulter und beginnender Konusfläche, so daß die Abschirmkappen 42A, 41B vorteilhaft nicht mit Spann­ kräften beaufschlagt werden. Die Spannkräfte verlaufen vom Wicklungsträgerabschnitt 26A über die Distanzhülsen 60, 61 direkt zum Wicklungsträgerabschnitt 26B.

In Fig. 8 ist eine Einsatzmöglichkeit der Drosselspule bei einem Wechselrichter dargestellt. Es sind ein posi­ tiver bzw. negativer Anschluß 33 bzw. 34 einer Gleich­ spannungszuführung für einen Wechselrichter 35 zu erken­ nen. Zwischen beiden Anschlüssen 33, 34 ist die Reihen­ schaltung des Thyristors 14 des Kurzschließers 15 mit der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel 18 angeordnet. Am positiven Anschluß 33 liegt die erste Anschlußklemme einer Drosselspule 36 (Ausführung gemäß erster oder zweiter Variante), deren zweite Klemme über ein erstes Stromrichterhauptventil 37 am Wechselspannungsanschluß 40 des Wechselrichters 35 liegt. Am negativen Anschluß 34 liegt die erste Anschlußklemme einer Drosselspule 39 (Ausführung gemäß erster oder zweiter Variante), deren zweite Klemme über ein zweites Stromrichterhauptventil 38 ebenfalls am Wechselspannungsanschluß 40 liegt. Der dargestellte Phasenbaustein des Wechselrichters kann beispielsweise in einem ölgekühlten Stromrichtermodul enthalten sein, wobei der kompakte Aufbau der Drossel­ spulen gemäß erster Variante mit integriertem Kurz­ schließer und integrierter Strombegrenzungsdrossel von besonderem Vorteil ist.

Bei der Herstellung einer Drosselspule werden in einem ersten Schritt die einzelnen Wicklungsträgerabschnitte 1 bis 4 bzw. 26, 27 unmittelbar nebeneinander in einer Reihe angeordnet, worauf die Wicklung 11 bzw. 30 aufge­ bracht werden kann. Erst anschließend werden in einem zweiten Schritt die Wicklungsträgerabschnitte 1 bis 4 bzw. 26, 27 rechtwinklig bzw. um 180° voneinander ausge­ richtet und über die Eckverbinder 5 bis 8 bzw. Verbin­ dungsstücke 28, 29 mechanisch fest miteinander verbun­ den. Durch Verwendung dieser Herstelltechnik werden je­ weils zusätzliche Wicklungsverbindungen zwischen den einzelnen Teilwicklungen auf den Wicklungsträgerab­ schnitten vermieden. Gleichzeitig ergibt sich automa­ tisch der richtige Wicklungssinn zur Vermeidung starker äußerer Magnetfelder.

In Fig. 9 sind der Strom und der magnetische Fluß in den einzelnen Teilwicklungen der Drossel gemäß der zweiten Variante dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Strom in den unmittelbar nebeneinander angeordneten Windungen beider Teilwicklungen (Wicklung 30, Wicklungsträgerab­ schnitte 26, 27) in gleicher Richtung verläuft, z. B. senkrecht aus der Zeichenebene heraustritt, wie in Fig. 9 gezeigt. In den voneinander entfernten Windungen der beiden Teilwicklungen ergibt sich für das Ausfüh­ rungsbeispiel folglich eine Stromrichtung senkrecht in die Zeichenebene hinein. Der magnetische Fluß ist mit Ø bezeichnet. Eine zusätzliche Abschwächung der magne­ tischen Randfelder ergibt sich durch die vorstehend er­ wähnten magnetischen Abschirmkappen 41, 42.

Claims (10)

1. Drosselspule mit einer auf einem zylinderförmigen, stab- oder rohrförmigen Wicklungsträger aus einem elek­ trisch isolierenden Material als Teilwicklungen aufgewickel­ ten Drosselwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zur An­ wendung bei einem Stromrichter der Wicklungsträger minde­ stens zwei Wicklungsträgerabschnitte (1 bis 4, 26, 27) auf­ weist, die über Verbindungsteile (5 bis 8, 28, 29) mitein­ ander verbunden sind, wobei die jeweils die Teilwicklungen der Drosselwicklung (11, 30) tragenden Wicklungsträgerab­ schnitte (1 bis 4, 26, 27) gemäß dem Toroid-Prinzip derart angeordnet sind, daß sich die erzeugten Magnetfelder in ih­ rer Wirkung nach außen gegenseitig teilweise aufheben bzw. abschwächen, und wobei über die Verbindungsteile (5 bis 8, 28, 29) jeweils magnetische Abschirmkappen (41 bis 46) ge­ stülpt sind.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Wicklungsträgerabschnitte (26, 27) par­ allel und unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, wobei der Wicklungssinn der beiden Teilwicklungen gegenläufig ist.

3. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß vier Wicklungsträgerabschnitte (1 bis 4) unter Bildung eines Rechteckes, vorzugsweise eines Quadrates, an­ geordnet sind.

4. Drosselspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträgerabschnitte (1 bis 4), jeweils mittels Eckverbinder (5 bis 8) rechtwinklig miteinander verbunden sind.

5. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanschlüsse (12, 31) für die Wicklungsenden unmittelbar nebeneinander auf einem Verbindungsteil (5 bis 8, 28, 29) angeordnet sind.

6. Drosselspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Kurzschließer (13) mit einem Halbleiterbauele­ ment (14) im Spulenfenster (47) des durch die vier Wick­ lungsträgerabschnitte (1 bis 4) gebildeten Rechteckes bzw. Quadrates angeordnet ist.

7. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei rohrförmiger Ausbil­ dung zumindest eines Wicklungsträgerabschnitts (1 bis 4, 26, 27) mindestens eine zusätzliche, vorzugsweise als Stromanstiegsbegrenzungsdrossel (18) dienende Zylinder­ spule im Rohrinnern des Wicklungsträgerabschnitts (1 bis 4, 26, 27) angeordnet ist.

8. Drosselspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei dreiphasiger Ausführung drei Einzeldrosseln nebeneinander angeordnet und über Spannstäbe (52, 53) mit­ einander verbunden sind.

9. Drosselspule nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannstäbe (52, 53) durch Distanzhülsen (54, 60, 61) greifen, deren Konusflächen (55) in Wicklungs­ trägerabschnitte (26A, 26B, 26C, 27A, 27B, 27C) greifen und deren Schultern (56) sich gegen isolierte Platten (48 bis 51) abstützen.

10. Drosselspule nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anzapfungen in der Drosselwicklung zum Anschluß mindestens eines Kurz­ schließers (13) vorgesehen sind.