DE4037407A1 - Induktiver koppler - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen induktiven Koppler mit einem ringförmigen Kern aus mindestens zwei an Schnittflächen formschlüssig zusammenfügbaren Teilen.

Stand der Technik

Stromzangen können eingeteilt werden in Meßzangen und Stromeinspritzzangen. Meßzangen wirken als Stromwandler und Stromeinspritzzangen als Transformator mit einer Sekundärwicklung. Sie werden hauptsächlich auf den Gebieten EMC, EMP, Blitztest, ESD sowie EMI-Control eingesetzt.

Stromzangen sind seit langem bekannt und auf dem Markt erhältlich. Von der Firma EATON CORPORATION, 5340 Alla Road, Los Angeles, CA 90066, beispielsweise sind ringförmige Zangen erhältlich, die einen zweiteiligen Kern hoher Induktivität aufweisen. Der Kern befindet sich in einem aufklappbaren Gehäuse, so daß ein Kabel in den Ring eingeführt werden kann.

Ein Problem bei solchen Stromzangen besteht darin, die beiden Hälften des Kerns möglichst präzise und immer auf die selbe Art zusammenzufügen. Es ist nämlich so, daß der Frequenzgang der Stromzange sich ändert, wenn die beiden Hälften nicht präzise aufeinander ausgerichtet sind. Zwar haben herkömmliche Stromzangen ein Gehäuse, das eine gewisse Stabilität gewährleistet. Die Praxis zeigt aber, daß Scharnier und Verschluß des Gehäuses bisher nicht die nötige Genauigkeit bieten konnten. Das nicht präzise aufeinanderliegen der Kernhälften hat deshalb zu unkontrollierten Änderungen im Frequenzgang geführt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen induktiven Koppler der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die beim Stand der Technik vorhandenen Probleme nicht auftreten.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß die Schnittflächen selbstjustierende Paßformen aufweisen.

Der Kern der Erfindung liegt darin, daß die Schnittflächen selbstjustierende Paßformen aufweisen. Das heißt, daß die Schnittflächen so geformt sind, daß sich die Hälften auf immer dieselbe Art aneinanderfügen. Die Justierung erfolgt somit nicht indirekt, d. h. über das Gehäuse, sondern direkt am Kern selbst. Dadurch kann ein minimaler Luftspalt gewährleistet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform haben die Schnittflächen eine Paßform, die eine Selbstjustierung in einer gegebenen Ebene parallel zu einer Achse des ringförmigen Kerns gewährleistet. Die genannte Ebene ist z. B. eine Axialebene, durch die der Kern in zwei gleich große Hälften geteilt wird. In dieser Ebene können die beiden Hälften relativ zueinander somit nicht verschoben werden, ohne daß sie den formschlüssigen Kontakt gleich insgesamt verlieren. Die genannte Ausführungsform hat den Vorteil, daß ein Druck auf die Hälften senkrecht zur gegebenen Ebene eine vollkommene, reproduzierbare Justierung bewerkstelligt.

Besonders bevorzugt sind dabei sphärische Paßformen. Diese lassen sich ohne weiteres gleichzeitig mit der Sinterung des Kerns herstellen.

Wenn es darum geht, aus einem fertig gesinterten, einteiligen Kern zwei selbstjustierende Teile herzustellen, dann sind solche Paßformen von Vorteil, die eine definierte Führungsrichtung aufweisen. Entlang der Führungsrichtung können die beiden Teile relativ zueinander verschoben werden, ohne daß sie den formschlüsigen Kontakt gleich insgesamt verlieren. In einer gegebenen Richtung senkrecht zur Führungsrichtung dagegen, ist dies nicht möglich. Die Selbstjustierung in der gegebenen Ebene kommt dadurch zustande, daß die Führungsrichtungen der beiden (z. B. diametral gegenüberliegenden) Schnittstellen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.

Zu den bevorzugten Paßformen mit einer Führungsrichtung gehören zylindrische, V-förmige oder in geeigneter Weise gestufte Profile. Solche lassen sich gemäß der Erfindung mittels Drahterosion, Laser-Schneideverfahren oder Wasserstrahlschnitt besonders einfach und präzise herstellen.

In gewissen Fällen kann auch eine Selbstjustierung in nur einer Richtung vollauf genügen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn das Gehäuse des induktiven Kopplers den Kern bereits bezüglich einer bestimmten Richtung justiert. Werden Paßformen mit einer Führungsrichtung verwendet, so sind dabei die Führungs­ richtungen der Schnittflächen parallel zueinander ausgerichtet.

Besonders bevorzugt sind außerdem Paßformen, die neben einer Selbstjustierung eine Selbstfixierung gewährleisten. Solche Kerne bedürften keiner Gehäuse, da die Teile ineinander geschoben werden können. Die Schnittflächen von solchen Kernen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine nutartige Ausnehmung aufweisen, die eine Verengung gefolgt von einer Verbreiterung hat. Im Profil sehen sie aus wie eine Flasche oder ein "T". Die Ausnehmungen haben parallele Führungsrichtungen, derart, daß die beiden Teile des Kerns in axialer Richtung ineinander geschoben werden können.

Um mechanisch robuste Paßformen zu erhalten, ist es aufgrund der spröden Materialien (insbesondere bei Ferriten) von Vorteil, wenn spitze Kanten vermieden werden, d. h. wenn möglichst abgerundete Profile realisiert werden.

Gemäß einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Teile des Kerns in einem Gehäuse gefedert untergebracht. Das Gehäuse hat z. B. ein Scharnier und einen Verschluß. Wenn es geschlossen wird, sorgt die Federung dafür, daß die beiden Teile des Kerns aufeinander gepreßt werden. Wegen der erfindungsgemäßen Paßform wird so die gewünschte Justierung erreicht.

Für die Anwendung in Stromzangen sollte der Kern aus einem Material mit einer möglichst hohen Sättigungsinduktion (B_s) bestehen. Als Material eigenen sich neben Ferriten (B_s ∼ 4000 Gauss) somit insbesondere auch gesinterte Metallpuder (engl. iron powder, B_s ∼ 8000 Gauss).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn für den Kern ein Material gewählt wird, das neben der hohen Sättigungsinduktion auch eine verhältnismäßig gute Leitfähigkeit aufweist. Als Beispiel ist Metallpuder zu erwähnen. Dieses läßt sich einfacher als z. B. Ferrite bearbeiten, was sich in geringeren Fertigungstoleranzen äußert. Wenn die Leitfähigkeit des Kernmaterials hinreichend gut ist, dann werden die Paßformen vorzugsweise mittels Drahterosion gefertigt. Anderenfalls können sie durch Fräsen, Wasserstrahl- oder Laser-Schneiden hergestellt werden.

Zur Herstellung von zweiteiligen Kernen für induktive Koppler wird gemäß der Erfindung zuerst ein einteiliger, ringförmiger Kern aus Metallpuder gesintert, der dann mittels Drahterosion in zwei Teile getrennt wird. Die so erzeugten Schnittstellen bilden Paßformen mit einer Führungsrichtung.

Aus der Beschreibung und der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Stromzange im Axialschnit;

Fig. 2a, b einen Kern mit selbstjustierenden Schnittflächen;

Fig. 3a, b einen Kern mit zwei steckbaren Teilen;

Fig. 4 einen Kern mit sowohl selbstjustierenden als auch selbstfixierenden Schnittflächen; und

Fig. 5a, b einen Kern mit V-förmigen Schnittflächen und nicht parallel zueinander liegenden Führungsrichtungen.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Stromzange im Axialschnitt. In einem ringförmige, zweiteiligen Gehäuse 1 ist ein ebenfalls ringförmiger Kern 2 untergebracht. Der Kern besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer sehr hohen Sättingungsinduktion B_s. Besonders bevorzugt wird gesintertes Metallpuder (engl. iron powder). Sogenannte Metallpuderkerne sind z. B. von der Firma AMIDON ASSOCIATES INC, 12 033 Otsego Street, North Hollywood, California, CA 91 607, erhältlich. Ihre Sättigungsinduktion B_s liegt typischerweise in der Größenordnung von 7000 Gauss.

Der Kern 2 ist z. B. von einer Wicklung 3 umschlossen, die z. B. zur Stromeinspritzung geeignet ist. Ein zu testendes Kabel 4 ist durch die ringförmige Stromzange hindurchgeführt.

Die Stromzange läßt sich aufklappen. Zu diesem Zweck ist der Kern 2 aus zwei, an entsprechenden Schnittflächen 7a, 7b resp. 8a, 8b formschlüssig zusammenfügbaren Teilen 2a, 2b zusammengesetzt. Das Gehäuse 1 hat zwei mittels eines Scharniers 5 klappbare Hälften. In jeder Hälfte des Gehäuses 1 ist ein Teil des Kerns 2 untergebracht. Ein Verschluß 6 gegenüber dem Scharnier 5 kann zum Einführen des zu testenden Kabels geöffnet werden. Er sorgt dafür, daß im Betrieb die beiden Teile 2a, 2b des Kerns gut aufeinander gepreßt werden.

Die bis anhin beschriebenen Teile der Stromzange sind bekannt. Neu ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schnittflächen.

Wie bereits gesagt, werden die beiden Teile 2a, 2b des Kerns mit den einander paarweise entsprechenden Schnittflächen 7a, 7b resp. 8a, 8b formschlüssig zusammengefügt. Die Schnittflächen 7a, 7b resp. 8a, 8b haben jeweils eine selbstjustierende Paßform. Dies bedeutet, daß die Schnittflächen derart gekrümmt sind, daß die beiden Teile 2a, 2b des Kerns 2 beim Zusammenfügen immer dieselbe Position in Relation zueinander einnehmen.

Zwar ist es wünchenswert, daß die einander entsprechenden Schnittflächen sich vollkommen (d. h. ohne Überlappen) decken. Diese Forderung ist aber nicht so zentral wie diejenige, daß die Hälften des Kerns immer dieselbe Position relativ zueinander annehmen. Damit ist gewährleistet, daß der Frequenzgang der Stromzange nach dem Schließen, obwohl vielleicht nicht optimal, so doch zumindest immer gleich ist.

Eine Paßform, die eine Selbstjustierung in einer Ebene parallel zu einer Achse des ringförmigen Kerns garantiert, ist z. B. eine sphärische Krümmung. Gleichwirkend mit einer sphärischen Paßform ist jede, die in zwei orthogonalen Richtungen eine endliche Krümmung aufweisen. Darunter fallen z. B. elliptische Flächen oder beliebige nicht-zylindrische Rotationsflächen.

Paßformen der soeben beschriebenen Art können dadurch hergestellt werden, daß das Metallpuder oder der Ferrit in geeigneten, jeweils paarweise entsprechenden Preßformen gesintert wird.

Eine solche Herstellung ist aber bei kleinen Losgrößen oder bei Einzelfertigung unwirtschaftlich. In diesen Fällen sind solche Paßformen vorteilhaft, die sich durch Zerteilen eines fertig gesinterten, ringförmigen, einteiligen Kerns herstellen lassen. Gemäß der Erfindung gehören dazu insbesondere all jene Paßformen, die eine vorgegebene Führungsrichtung aufweisen. Dies soll anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert werden.

Fig. 2a, b zeigen einen Kern aus zwei Teilen 2a, 2b, die mit ihren Schnittflächen 7c, 7d resp. 8c, 8d formschlüssig und selbstjustierend aufeinander passen. Die Schnittflächen 7c, 7d resp. 8c, 8d sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zylindrisch ausgebildet. Die einander entsprechenden Schnittflächen 7c, 7d resp. 8c, 8d haben dabei je eine Führungsrichtung 9a resp. 10a. Die Führungsrichtungen 9a und 10a haben die selbe Orientierung, wie die den Zylinderflächen zuordenbaren Zylinderachsen. Die Führungsrichtung einer Paßform gibt somit an, in welcher Richtung die einander entsprechenden Schnittflächen 7c, 7d resp. 8c, 8d relativ zueinander verschoben werden können, ohne daß der formschlüssige Kontakt gleich insgesamt verloren geht.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform haben die einander nicht entsprechenden Schnittflächen 7c, 8c resp. 7d, 8d unterschiedliche, d. h. nicht parallele Führungsrichtungen.

In Fig. 2b beispielsweise ist die Führungsrichtung 9a parallel und die Führungsrichtung 10a senkrecht zu einer Achse 11 des ringförmigen Kerns 2 orientiert. Durch diese Orientierung werden die beiden Teile 2a, 2b des Kerns 2 in zwei zueinander senkrechten Richtungen automatisch justiert. Voraussetzung ist natürlich, daß die Teile 2a, 2b stabil gegenüber inneren Torsionen ist. Dies ist in der Praxis aber wegen den großen Querschnitten immer der Fall.

Im einzelnen gewährleistet die linke Schnittstelle in Fig. 2a, b eine Justierung senkrecht zur Führungsrichtung 9a und die rechte Schnittstelle eine Justierung senkrecht zur Führungsrichtung 10a. Wenn also die beiden Teile 2a, 2b aufeinandergepreßt werden, dann findet eine Selbstjustierung in der Zeichenebene der Fig. 2b statt.

Fig. 3a, b zeigt eine steckbare Paßform, bei welcher die Selbstjustierung in nur einer Richtung erfolgt. Die verwendete Paßform hat ein stufenförmiges Profil. Infolgedessen weist eine der beiden einander entsprechenden Schnittflächen 7e eine nutartige Ausnehmung auf, in die sich formschlüssig ein Steg der anderen, entsprechenden Schnittfläche 7f einfügt. Im vorliegenden Beispiel sind die Führungsrichtungen 9b, 10b der Schnittflächen parallel zueinander ausgerichtet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3a, b kann natürlich im Sinn der Fig. 2a, b abgewandelt werden. Bei einer solchen Modifikation wäre z. B. die in Fig. 3a, b rechts dargestellte Paßform um 90° zu drehen, so daß die Führungsrichtung 10b senkrecht zur Führungsrichtung 9b der links gezeigten Schnittstelle liegen würde.

Fig. 4 zeigt eine sowohl selbstjustierende als auch selbstfixierende Paßform. Sie zeichnet sich im Profil betrachtet durch eine flaschenförmige Erscheinung aus. Eine der beiden Schnittflächen 7g resp. 8g weist demnach eine nutartige Ausnehmung auf, die im Querschnitt betrachtet einen engen Hals gefolgt von einer bauchartigen Verbreiterung hat. Die entsprechenden Schnittflächen 7h resp. 8h sind demzufolge pilz- oder T-förmig ausgebildet. Zum Öffnen und Schließen des Kerns müssen die beiden Teile 2a, 2b des Kerns in axialer Richtung relativ zueinander verschoben werden.

Typischerweise ist das Profil pilzförmig, T-förmig, sternförmig oder keilförmig. Abgerundete Profile sind im allgemeinen vorzuziehen.

Fig. 5a, b zeigen eine weitere, besonders bevorzugte, selbstjustierende Ausführungsform. Die verwendeten Paßformen sind im Profil z. B. V-förmig. Die Führungsrichtungen 9c und 10c der beiden Schnittstellen (Schnittflächen 7i, 7k resp. 8i, 8k) sind nun aber nicht mehr parallel oder senkrecht zueinander ausgerichtet. Vielmehr schließen sie einen beliebigen Winkel größer null ein. Im allgemeinen sind sie weder parallel noch senkrecht zur Achse 11 des ringförmigen Kerns 2.

Der Vorteil dieses Ausführungsform liegt darin, daß in den beiden Teilen 2a, 2b die Torsionskräfte klein bleiben, die allenfalls einer präzisen Selbstjustierung entgegenwirken könnten.

In bezug auf die konkrete Gestaltung der Paßformen resp. Profile gilt dasselbe, was im Zusammenhang mit den Fig. 2a, b und 3a, b gesagt worden ist.

Zum Material des Kerns ist folgendes anzumerken. Grundsätzlich werden all jene Materialien bevorzugt, die eine hohe Sättigungsinduktion B_s haben. Dazu gehören z. B. die in herkömmlichen induktiven Kopplern verwendeten Ferritkerne (B_s bis ca. 3000 Gauss).

In neuerer Zeit sind sogenannte Metallpuderkerne entwickelt worden, die mit Sättigungsinduktionen bis zu 7000 Gauss aufwarten können. Diese Metallpuderkerne, die z. B. von der Firma AMIDON in verschiedenen Ausführungen erhältlich sind, haben aber noch eine weitere vorteilhafte Eigenschaft. Es handelt sich dabei um ihre elektrische Leitfähigkeit. Sie ermöglicht eine erfindungsgemäße Herstellung der oben beschriebenen Paßformen, die sich durch große Präzision und Einfachheit auszeichnet.

Im einzelnen läuft das Herstellungsverfahren in zwei Schritten ab.

Zuerst wird ein ringförmiger Kern aus Metallpuder gesintert. Das Metallpuder soll eine möglichst hohe Sättigungsinduktion haben. Die Sinterung erfolgt in an sich bekannter Weise.

Als zweites wird der einteilige, ringförmige Metallpuderkern mittels Drahterosion in zwei Teile zerschnitten. Die Schnittstellen liegen vorzugsweise in einer axialen Ebene, so daß die resultierenden Teile etwa gleich groß sind. Der Schneidedraht wird so geführt, daß eine Paßform mit Führungsrichtung entsteht, wie sie oben anhand der Figuren erläutert worden ist.

Bei der Drahterosion empfiehlt es sich, die Kontaktierung des Kerns möglichst nahe bei der Schnittstelle vorzusehen. Auf diese Weise kann die Erhitzung des Kerns klein gehalten werden. Versuche mit dem Material T-250-26 von der Firma AMIDON haben gezeigt, daß die für die Drahterodierung benötigte hohe Stromdichte zu keiner Erniedrigung der Sättigungsinduktion führt.

Die Metallpuderkerne haben also gegenüber den harten und spröden Ferritkernen Eigenschaften, die sich positiv im Hinblick auf die Einfachheit und Qualität (Toleranzen) bei der Herstellung auswirken.

Anstelle der Drahterodierung kann auch das Schneiden mittels Laser oder Wasserstrahl treten. Das nachträgliche Zerschneiden eines einteiligen Kerns hat gegenüber dem Sintern von zwei zusammenfügbaren Kernteilen den Vorteil, daß kleine Losgrößen und Einzelstücke viel kostengünstiger gefertigt werden können. Zudem garantiert insbesondere die Drahterodierung ein perfektes Aufeinanderpassen, was durch die in der Praxia an den Schnittstellen auftretenden Kohäsionskräfte verdeutlicht wird.

Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht auf induktive Koppler mit zweiteiligen Kernen. Vielmehr kann sie sinngemäß auch auf drei- und mehrteilige Kerne ausgeweitet werden.

Die erfindungsgemäßen, selbstjustierenden Kerne werden mit Vorteil federnd in einem geeigneten, aufklappbaren Gehäuse untergebracht. Die selbstfixierenden Kerne bedürfen dagegen keiner Gehäuse. Sie werden in axialer Richtung ineinandergeschoben und finden vorzugsweie als HF-Supressoren bei Computerkabeln Verwendung.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für erfindungsgemäße Kerne bietet sich im Transformatorenbau zur Realisierung von Kernen mit genau definiertem Luftspalt. In einem solchen Fall werden die erfindungsgemäß gestalteten Schnittflächen mit einem geeigneten Material geringer Induktivität beschichtet, bevor sie zusammengefügt werden. Auf diese Art wird eine große Induktion ohne Sättigungsverhalten ermöglicht.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Erfindung angibt, wie sich mit einfachen Mitteln eine Selbstjustierung von zwei- oder mehrteiligen Kernen erzielen läßt.

Bezeichnungsliste

1 Gehäuse
2 Kern
2a, 2b Teile
3 Wicklung
4 Kabel
5 Scharnier
6 Verschluß
7a. . .7k, 8a. . .8k Schnittflächen
9. . .9c, 10a. . .10c Führungsrichtung
11 Achse

Claims (10)

1. Induktiver Koppler mit einem ringförmigen Kern aus mindestens zwei an Schnittflächen formschlüssig zusammenfügbaren Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittflächen selbstjustierende Paßformen aufweisen.

2. Induktiver Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen je eine Paßform haben, die eine Selbstjustierung in einer gegebenen Ebene parallel zu einer Achse des ringförmigen Kerns gewährleistet.

3. Induktiver Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßformen jeweils eine Führungsrichtung aufweisen.

4. Induktiver Koppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrichtungen der Paßformen parallel zueinander liegen.

5. Induktiver Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrichtungen der Paßformen einen Winkel größer null einschließen.

6. Induktiver Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßformen selbstfixierend sind.

7. Induktiver Koppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßformen zylindrische, V- förmige oder gestufte Schnittflächen aufweisen.

8. Induktiver Koppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßformen im Profil flaschenförmig, T-förmig oder pilzförmig ausgebildet sind.

9. Induktiver Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus genau zwei Teilen besteht und die zwei Teile des Kerns in einem Gehäuse federnd untergebracht sind, wobei das Gehäuse aus zwei Hälften gebildet wird, die mit einem Scharnier klappbar verbunden sind und mit einem Verschluß stabil verschlossen werden können.

10. Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Kerns hoher Sättigungsinduktion, der aus mindestens zwei an Schnittstellen formschlüssig zusammenfügbaren Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein einteiliger ringförmiger Kern aus Metallpuder mittels Drahterodierung so zerschnitten wird, daß an den Schnittstellen jeweils eine Paßform mit einer Führungsrichtung entsteht.