DE69933866T2

DE69933866T2 - Variable induktivität

Info

Publication number: DE69933866T2
Application number: DE69933866T
Authority: DE
Inventors: Adrian M. Thousand Oaks JANSEN
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: CN1301390A; EP1082735A4; CN1379419A; US6317021B1; EP1082735A1; ATE344526T1; TW419681B; DE69933866D1; AU3889699A; JP2002516479A; WO1999060585A1; CA2329961A1; EP1082735B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen veränderlichen Induktor und ein Verfahren zum Verändern der Induktivität eines induktiven Stromkreiselements. Im Besonderen betrifft die Erfindung einen veränderlichen Induktor, in dem Induktivität eines induktiven Stromkreiselements mittels eines elektrischen Signals verändert wird.
Hintergrund der Erfindung
Veränderliche Induktoren sind in vielen Stromkreisanwendungen von Nutzen, die magnetische Verstärker enthalten, die die Induktivität eines Stromkreiselements verändern, um die Leistungs- und Resonanzstromkreise zu regeln, die die Induktivität von Stromkreiselementen verändern, um die Resonanzfrequenz des Schaltkreises zu ändern. Die einfachste Weise, einen veränderlichen Induktor zu erhalten, ist das mechanische Bewegen eines Verbinders entlang einem induktiven Element. Oft ist jedoch erwünscht, die Induktivität eines Stromkreiselements durch ein elektrisches Signal statt durch mechanisches Bewegen zu verändern.
Der Sättigungseffekt von magnetischen Materialien kann verwendet werden, um einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor, wie den in der 1 nach dem Stand der Technik gezeigten, zu erzeugen. Veränderliche Induktoren dieses Typs haben einen begrenzten Veränderungsbereich von 1 bis 10 und leiden unter Parasitäreffekten, wie einer Kapazität und einer Spannung über jede Reihe Steuerwicklung, die den Gütefaktor des Induktors einschränken. Außerdem erfordern derartige stromgesteuerte veränderliche Induktoren nach dem Stand der Technik typischerweise sehr hohe Steuerströme in dem Bereich von 0 mA bis 500 mA. Die 1 stellt einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor nach dem oben erwähnten Stand der Technik dar, in dem die Induktivität L₁₄ der mittleren Wicklung 14 durch den Strom Ic, der den äußeren Steuerwicklungen 12 und 13 zugeleitet wird, gesteuert wird.
Genauer gesagt, zeigt die 1 einen magnetischen Kern 11, der aus einem sättigungsfähigen magnetischen Material mit drei Schenkeln 15, 16 und 17 besteht. Die äu ßeren Schenkel 15 und 17 haben identische Wicklungen 12 und 13, die in Reihe geschaltet sind, wie gezeigt. Die Steuerwicklungen 12 und 13 werden in einer solchen Art und Weise gewickelt und verbunden, dass der magnetische Fluss Φ_c, der aus dem Steuerstrom Ic durch die äußeren Wicklungen 12 und 13 entsteht, in den jeweiligen Schenkeln 15 und 17 des Kerns gleich ist und in entgegengesetzte Richtungen gerichtet ist. Der entgegengesetzte magnetische Fluss Φ_c führt in dem mittleren Schenkel 16 des Kerns zu einer Aufhebung des Flusses. Die Aufhebung des Flusses verhindert Kopplung von AC-Signalen zwischen der mittleren Wicklung 14 und den Reihensteuerwicklungen 12 und 13. Wenn über die Anschlüsse der mittleren Wicklung 14 eine AC-Spannung angelegt werden würde, würde in beiden Reihenwicklungen 12 und 13 ein Strom induziert, jedoch würden die Spannungen in den Steuerwicklungen 12 und 13 von entgegengesetzter Polarität sein, so dass die Spannung über die Reihenschaltung der Steuerwicklungen 12 und 13 null bleiben würde. Der magnetische Weg für die mittlere Wicklung 14 umfasst die äußeren Schenkel 15 und 17, den mittleren Schenkel 16 und die Verbindungsabschnitte 18 bis 21. Wenn der Steuerstrom Ic durch die Wicklungen 12 und 13 groß genug wird, um die Schenkel 15 und 17 des Kerns zu sättigen, verringert sich die Induktivität L₁₄ der mittleren Wicklung 14, weil ein Teil des magnetischen Wegs für die mittlere Wicklung 14 gesättigt ist. Je höher der Steuerstrom Ic wird, desto niedriger wird die Induktivität L₁₄. Der mittlere Schenkel 16 wird jedoch auf Grund des Steuerstroms Ic nicht gesättigt.
Die Induktivität eines induktiven Stromkreiselements steht in Beziehung zu der Durchlässigkeit des Kerns und der Anzahl von Windungen:
wobei

L: die Induktivität eines induktiven Stromkreiselements;
μ₀: die Durchlässigkeit des magnetischen Kerns;
A: die Querschnittsfläche des magnetischen Kerns;
N: die Anzahl von Windungen des induktiven Elements und
l: die Länge des induktiven Elements.

Entsprechend Gleichung 1 wird, da der mittlere Schenkel nicht gesättigt ist, die Mindestinduktivität L₁₄ durch die Anzahl von Windungen und die magnetische Durchlässigkeit des Kernmaterials des Schenkels 16 begrenzt. Ein weiterer unerwünschter Nebeneffekt der Schaltung nach dem Stand der Technik der 1 ist, dass sich die Induktivität jeder der in Reihe geschalteten Steuerwicklungen 12 und 13 mit einer Änderung des Wertes des Steuerstroms Ic wesentlich ändert. Tatsächlich ändern sich die Induktivitäten der Steuerwicklungen 12 und 13 um einen größeren Betrag als die Induktivität der mittleren Wicklung 14. Dieser Zustand führt zu signifikanten Einschränkungen, wenn der veränderliche Induktor nach dem Stand der Technik Teil des Regelkreises ist. Der Induktor nach dem Stand der Technik aus 1 hat einen begrenzten Veränderungsbereich oder erfordert einen sehr hohen Steuerstrom in der Größenordnung von ungefähr 0 mA bis zu 500 mA. Weiterhin begrenzen die Spannung über jede Steuerwicklung 12 und 13 und die Parasitärkapazitäten der Steuerwicklungen 12 und 13 das Wicklungsverhältnis und/oder die Betriebsfrequenz. Die Induktivität der Steuerwicklungen 12 und 13 ändert sich mit dem Steuerstrom Ic wesentlich.
UK-Patent 715.610, Stand der Technik, der der Erfindung am nahesten kommt, offenbart veränderliche induktive Elemente mit sättigungsfähigen Kernen. Die veränderlichen Induktoren nach UK-Patent 715.610 sind in den 2A und 2B dargestellt. Der veränderliche Induktor der 2A hat Reihenwicklungen auf den äußeren Schenkeln eines dreischenkligen Kerns und gleicht dementsprechend dem in der 1 oben. Die 2B stellt Parallelwicklungen auf den äußeren Schenkeln eines dreischenkligen Kerns und eine Steuenrwicklung auf dem mittleren Schenkel des Kerns dar. Es gibt in dem UK-Patent 715.610 keine Lehre in Bezug auf das Einrichten des magnetischen Querschnitts des mittleren Schenkels relativ zu den magnetischen Querschnitten der äußeren Schenkel in einem veränderlichen Induktor, so dass die äußeren Schenkel und der mittleren Schenkel im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel haben, um eine im Wesentlichen konstante Induktivität der Steuerwicklung bei einer Änderung des Stroms der Steuerwicklung zu erhalten. Des Weiteren gibt es in dem UK-Patent 715.610 keine Lehre in Bezug auf das Verjüngen der Abschnitte eines dreischenkligen Kerns, die die Schenkel von dem Querschnitt des mittleren Schenkels zu den Querschnitten der äußeren Schenkel hin verbinden, um die größte Veränderung der Induktivität für einen gegebenen Steuerstrom zu erhalten. Weiterhin lehrt das UK-Patent 715.610 die Verwendung eines zusätzlichen Körpers oder von zusätzlichen Überschichtungsstreifen, um Quer schnittsfläche zu dem mittleren Schenkel des in der 2A oben gezeigten, veränderlichen dreischenkligen Induktors hinzuzufügen. Die 7 des UK-Patents 715.610 zeigt eine Perspektivansicht des dreischenkligen Transduktors der 2A oben, in der zusätzlicher Querschnittsbereich in der Menge von a × e hinzugefügt ist. Die zusätzlichen „Körper" machen es schwierig, wenn nicht unmöglich, eine im Wesentlichen konstante Induktivität der Steuerwicklung vorzuhalten.
Bekannte Magnetverstärker haben Kerne mit drei Schenkeln, Parallelwicklungen auf den äußeren Schenkeln und separate Wicklungen auf dem mittleren Schenkel. Das an Whiteley erteilte US-Patent Nr. 2.229.952 offenbart Magnetverstärkerausführungen dieses Typs. Magnetverstärker arbeiten jedoch in Übereinstimmung mit anderen Prinzipien als veränderliche Induktoren und haben verschiedene Eingänge und Ausgänge. In dem oben genannten Magnetverstärker von Whiteley spannt beispielsweise der Strom in der Steuerwicklung um den mittleren Schenkel die Kernmagnetisierung vor und sättigt den Kern nicht. Der Kern wird durch das AC-Signal von dem Generator 4 gesättigt und auf Grund der Wirkung der Dioden 5 wird jeweils nur ein äußerer Schenkel gesättigt. Jeder äußere Schenkel wird zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt gesättigt. Jeder äußere Schenkel ist bei jedem Zyklus des AC-Signals abwechselnd gesättigt und dann nicht gesättigt. Der Strom durch die Steuerwicklung 2 bestimmt den Teil des Halbzyklus, in dem der Schenkel Sättigung unterliegt. Der durchschnittliche DC-Spannungsausgang steht in Beziehung zu der Größe des Stroms durch die Steuerwicklung 2. Die Arbeit des Magnetverstärkers ist das Steuern der DC-Ausgangsspannung in Übereinstimmung mit dem Steuerstrom in der Steuerwicklung 2.
JP-09129450 offenbart ein induktives Element, das einen Kern mit drei Schenkeln (ein mittlerer Schenkel und zwei äußere Schenkel) umfasst. Eine Hauptwicklung erstreckt sich um jeden der zwei äußeren Schenkel und um den mittleren Schenkel erstreckt sich eine Steuerwicklung. Die Hauptwicklung ist derartig eingerichtet, dass der aus den Strömen durch die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln entstehende magnetische Fluss in dem mittleren Schenkel aufgehoben wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe von Ausführungen der vorliegenden Erfindung, einen veränderlichen Induktor bereitzustellen, der mit einem breiten Veränderungsbereich stromgesteuert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen veränderlichen Induktor bereitzustellen, der stromgesteuert ist und einen begrenzten Steuerstrom hat.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, der nicht unter Parasitäreffekten leidet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei der Kern des Stromkreiselements, der eine Induktivität hat, die sich ändert, gesättigt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Mindestinduktivität des Stromkreiselements, das eine Induktivität hat, die sich ändert, nicht durch die magnetische Durchlässigkeit des Kernmaterials begrenzt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, der Stufen in Querschnitten seines Kerns eliminiert.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Mindestinduktivität des Stromkreiselements, das eine veränderliche Induktivität hat, niedriger sein kann als dies der Stand der Technik zulässt.
Zusätzlich ist eine weitere Aufgabe der Ausführung der Erfindung, einen veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Kapazität der Steuerwicklung das Wicklungsverhältnis nicht einschränkt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführung der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Spannung über die Steuerwicklung nicht die Betriebsfrequenz einschränkt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführung der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Spannung über eine Steuerwicklung die Betriebsfrequenz nicht einschränkt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Ausführungen der Erfindung, einen stromgesteuerten veränderlichen Induktor bereitzustellen, wobei die Induktivität einer Steuerwicklung bei Änderung des Stroms in der Steuerwicklung im Wesentlichen konstant ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein veränderlicher Induktor nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Zusätzlich verjüngen sich in einer bevorzugten Ausführung die Abschnitte des Kerns, die die drei Schenkel verbinden, von dem Querschnitt des mittleren Schenkels zu den Querschnitten der äußeren Schenkel hin. Der mittlere Schenkel wird durch ein einzelnes magnetisches Element gebildet. In der bevorzugten Ausführung können die Abschnitte des Kerns, die die Schenkel und die Schenkel des Kerns verbinden, kreisförmige Querschnittsflächen haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verändern der Induktivität eines Stromkreiselements in Übereinstimmung mit einem Steuerstrom gemäß Anspruch 7 bereitgestellt.
Die obigen und weitere Aufgaben, Aspekte und Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungen offensichtlicher, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen zur Kenntnis genommen wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch Beispiele und nicht begrenzt durch die Figuren der begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche und entsprechende Teile bezeichnen, dargestellt, wobei in den Zeichnungen
1 ein stromgesteuerter veränderlicher Induktor nach dem Stand der Technik ist;
2A und 2B weitere stromgesteuerte veränderliche Induktoren nach dem Stand der Technik sind;
3 ein erfindungsgemäßer veränderlicher Induktor ist;
4A zwei E-förmige Kernelemente zeigt, die zusammengeklemmt sind, um einen Kern mit drei Schenkeln zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zu bilden;
4B eine entlang den Linien B-B entnommene Querschnittsansicht der in den 3 und 4A dargestellten Kerne ist;
4C eine entlang der Linie C-C entnommene Querschnittsansicht des in der 4A dargestellten Kerns ist;
4D eine entlang der Linie C-C entnommene alternative Querschnittsansicht des in der 4A dargestellten Kerns ist und
5 eine Perspektivansicht einer Ausführung eines veränderlichen Induktors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Unter Bezugnahme auf die 3 wird ein erfindungsgemäßer veränderlicher Induktor gezeigt.
Der veränderliche Induktor 40 der Erfindung enthält einen Kern 41, der aus einem sättigungsfähigen magnetischen Material ausgebildet ist. Der Kern 41 hat drei Schenkel 42, 43 und 44. Schenkel 43 ist der mittlere Schenkel und die Schenkel 42 und 44 sind die äußeren Schenkel. Der mittlere Schenkel 43 ist ein einzelnes magnetisches Element. Mit anderen Worten ist der mittlere Schenkel 43 ein einzelnes Stück aus magnetischem Material, durchgehend durch einen Querschnitt senkrecht zu der Richtung des Flusses des Magnetflusses Φ entlang der Länge des Schenkels geschnitten, der durch einen Steuerstrom Ic während des Betriebs induziert wird. Eine Steuerwicklung 45 ist um den mittleren Schenkel 43 gewickelt. Jeweils identische äußere Wicklungen 46 und 47 sind jeweils um die äußeren Schenkel 42 und 44 gewickelt. Die äußeren Wicklungen 46 und 47 sind über eine Quelle eines AC-Signals parallel geschaltet und sind derartig gewi ckelt, dass der magnetische Fluss Φ, der jeweils durch die äußeren Wicklungen 46 und 47 induziert wird, in dem mittleren Schenkel 43 aufgehoben ist, wie gezeigt.
Der DC-Steuerstrom Ic wird in die Steuerwicklung 45 eingespeist. Eine Änderung des Steuerstroms Ic bewirkt eine Änderung in den Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ über die äußeren Wicklungen 46 und 47. In einer ersten Ausführung der Erfindung bleibt die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 bei einer Änderung des Steuerstroms Ic in der Steuerwicklung 45 jedoch im Wesentlichen konstant.
Der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 relativ zu den magnetischen Querschnitten der äußeren Schenkel 42 und 44 ist derartig, dass die äußeren Schenkel 42, 44 und der mittlere Schenkel 43 im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel aufweisen. Die im Wesentlichen gleichen Sättigungspegel werden dadurch erreicht, dass der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 gleich groß wie oder geringfügig größer als die Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel 46 und 47 ausgebildet wird. Der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 kann etwas größer sein als die Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel 42 und 44, jedoch muss die Differenz in den magnetischen Querschnitten klein genug sein, dass der mittlere Schenkel 43 und die äußeren Schenkel 42 und 44 im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel aufweisen. Daher müssen die äußeren Schenkel 42 und 44, wenn der mittlere Schenkel 43 zu ungefähr 80% gesättigt ist, ebenfalls zu ungefähr 80% gesättigt sein.
Wenn die äußeren Schenkel 42 und 44 und der mittlere Schenkel 43 im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel haben und wenn die Induktivität der Steuerwicklung L₄₅ im Wesentlichen mit einer Änderung des Stroms in der Steuerwicklung 45 konstant ist, kann eine größere Veränderung der Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ mit einem kleineren Steuerstrom Ic erreicht werden, indem die Querschnitte der Abschnitte 48 bis 51 des dreischenkligen Kerns, die die drei Schenkel des Kerns verbinden, von dem Querschnitt des mittleren Schenkels 43 zu den Querschnitten der äußeren Schenkel 42 und 44 hin verjüngt werden, um alle Magnetlinien in dem mittleren Schenkel 43 in die äußeren Schenkel 42 und 44 zu kanalisieren. Die Querschnittabschnitte 48 bis 51 können kreisförmig oder oval sein. Alternativ können die Querschnitte der Abschnitte eine andere Form haben, beispielsweise rechteckig. Die Verjüngung von dem relativ großen Querschnitt des mittleren Schenkels 43 zu den kleineren Querschnitten der äußeren Schenkel 42 und 44 hin kann in nur einer oder in beiden Dimensionen der Querschnittsform ausgebildet sein.
Der gesamte Kern 41 kann als ein integrales Stück aus magnetischem Material ausgebildet werden, wie in der 3 gezeigt, oder als zwei E-förmige magnetische Abschnitte, wie in der 4A gezeigt.
Spezieller stellt die 4A eine Variation des Kerns 41 dar, der in der 3 der oben gezeigten Erfindung verwendet wird. Der Kern hat drei Schenkel 42, 43 und 44, wie in der 3. Zusätzlich enthält der Kern 41 die Verbindungsabschnitte 48, 49, 50 und 51 zwischen den drei Schenkeln des Kerns. In der in der 4A dargestellten Ausführung ist der Kern 41 jedoch aus zwei E-förmigen Abschnitten aus magnetischem Material 41a und 41b zusammengesetzt. Die E-förmigen Abschnitte aus magnetischem Material 41a und 41b sind so zusammengeklemmt, dass ihre Flächen sich an einer Grenze 52 treffen, um einen dreischenkligen Kern zu bilden.
Die 4B ist eine Querschnittsansicht der Kerns 41, entnommen entlang der Linie B-B in der 4A. Der Querschnitt jedes Schenkels 42, 43 und 44 ist kreisförmig, wie in der 4B gezeigt. Der Querschnitt jedes Schenkels 42, 43 und 44 ist über die Länge des Schenkels konstant, wie besser der 4A zu entnehmen ist. Unter Bezugnahme auf die 4B ist die Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 43 gleich groß wie oder größer als die Querschnittsflächen der äußeren Schenkel 42 und 44. Der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 ist gleich groß wie oder geringfügig größer als die Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel 42 und 44.
Weiterhin sind, wie in der 4B gezeigt, die Abschnitte 50 und 51 des Kerns, die die drei Schenkel 42, 43 und 44 verbinden, von dem mittleren Schenkel 43 zu den äußeren Schenkeln 42 und 44 hin verjüngt. Dementsprechend ändern sich die Querschnittsflächen der Verbindungsabschnitte 50 und 51 (gleichermaßen wie die der Verbindungsabschnitte 48 und 49) entlang der Länge der Verbindungsabschnitte, wobei die Querschnittsfläche jedes Verbindungsabschnitts, entnommen nahe dem mittleren Schenkel 43, größer als die Querschnittsfläche desselben Verbindungsabschnitts, entnommen nahe einem der äußeren Schenkel 42 und 44, ist.
Die 4C ist eine Querschnittsansicht des in der 4A dargestellten Kerns, entnommen entlang der Linie C-C. Eine gleichartige Querschnittsansicht würde erhalten werden, wenn diese entlang einer symmetrischen horizontalen Linie durch die Verbindungsabschnitte 51 und 49 und mit Richtung auf Schenkel 44 entnommen werden würde. (Weitere gleichartige Ansichten könnten für den Kern 41 der 3 erhalten werden, jedoch haben diese Ansichten keine Grenzen 52.) Wie in der 4C gezeigt, hat der Schenkel 42 (wie auch die in der 4C nicht gezeigten Schenkel 43 und 44) eine konstante Querschnittsfläche entlang der Länge des Schenkels 42. Weiterhin haben die Verbindungsabschnitte 50 und 48 kreisförmige Querschnittsflächen. Wie in der 4B gezeigt, ändern sich die kreisförmigen Querschnittsflächen der Verbindungsabschnitte 48 und 50 entlang der Länge der Verbindungsabschnitte, wobei die Querschnittsfläche jedes Verbindungsabschnitts, die nahe den äußeren Schenkeln 42 und 44 entnommen wird, kleiner als die Querschnittsfläche jedes Verbindungsabschnitts ist, die nahe dem mittleren Schenkel 43 entnommen wird.
Die 4D ist eine alternative Querschnittsansicht des in der 4A dargestellten Kerns 41, entnommen entlang der Linie C-C, die die rechteckigen Querschnittsflächen für die Verbindungsabschnitte 48 und 50 zeigt. Für die Querschnittsflächen der Verbindungsabschnitte 48 bis 51 können ebenso andere Formen verwendet werden. Die Querschnittsflächen der Verbindungsabschnitte 48 bis 51 können sich in einer Dimension oder in zwei Dimensionen entlang der Länge der Verbindungsabschnitte ändern, wobei die Querschnittsfläche jedes Verbindungsabschnitts, entnommen nahe dem mittleren Schenkel 43, größer als die Querschnittsfläche desselben Verbindungsabschnitts ist, wenn diese nahe der äußeren Schenkel 42 und 44 entnommen wird.
Obwohl der in der 4A gezeigte mittlere Schenkel 43 einen ersten Teil 43a, der Teil des Abschnitts 41a aus magnetischem Material ist, und einen zweiten Teil 43b, der Teil des Abschnitts 41b aus magnetischem Material ist, umfasst, wird der mittlere Schenkel 43 fortwährend als ein „einzelnes magnetisches Element" betrachtet, wie hierin definiert. Der Ausdruck „ein einzelnes magnetisches Element" bedeutet, dass er ein magnetisches Element (wie zum Beispiel einen Schenkel eines Kerns) mit einem kontinuierlichen einzelnen Stück magnetischen Materials, durchgängig durch wenigstens einen Querschnitt, der senkrecht zu dem Fluss des Magnetflusses Φ in Betrieb geschnitten ist, bezeichnet. In Betrieb fließt der Magnetfluss Φ entlang der Länge des mittleren Schen kels 43. Der senkrecht zu dem Fluss des Magnetflusses Φ entnommene Querschnitt besteht nicht aus mehreren magnetischen Elementen, wie zum Beispiel Überschichtungsstreifen oder zusätzlichen Körpern, die hinzugefügt sind, um den Querschnitt des Elements zu vergrößern. Die Teilung zwischen den Abschnitten 41a und 41b des magnetischen Materials, die durch die Grenzen 52 dargestellt ist, vergrößert die Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 43 nicht und bedeutet nicht, dass der mittlere Schenkel 43 aus mehr als einem „einzelnen magnetischem Element" besteht, weil der Querschnitt, der senkrecht zu dem Fluss des Magnetflusses Φ in Betrieb geschnitten ist, nur ein einzelnes magnetisches Element zeigt. Durchgängig durch den Querschnitt wird dasselbe magnetische Material verwendet.
In Betrieb, wenn der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 relativ zu den magnetischen Querschnitten der äußeren Schenkel 42 und 44 so eingerichtet ist, dass die äußeren Schenkel und der mittlere Schenkel im Wesentlichen die gleichen Sättigungspegel haben, bewirkt der Steuerstrom Ic durch die mittleren Wicklungen 45, dass sich die Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ über die äußeren Wicklungen 46 und 47 durch Verändern der Sättigungspegel der äußeren Schenkel 42 und 44 ändern. Die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 bleibt jedoch bei Änderung des Steuerstroms Ic durch die Steuerwicklungen 45 im Wesentlichen konstant. Der Steuerstrom Ic durch die Wicklung 45 ist groß genug, dass die äußeren Schenkel 42 und 44 des Kerns 41 sättigen, was die magnetische Durchlässigkeit des Kerns verringert und zu einer Verringerung der Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ der parallelen äußeren Wicklungen 46 und 47 führt. Je höher der Steuerstrom Ic wird, desto niedriger werden die Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ Zusätzlich können die Verbindungsabschnitte 48 bis 51 des Kerns 41 verjüngt sein, um sicherzustellen, dass eine inkrementale Vergrößerung oder „Stufe" im Querschnittsbereich von den Schenkeln zu den Verbindungsgliedern vorhanden ist. „Stufen" in dem Querschnittsbereich werden Teile des Kernmaterials, um die „Stufen" ungesättigt lassen. Dies begrenzt die Mindestinduktivität und den Änderungsbereich der Induktivität. Die verjüngten Verbindungsabschnitte ermöglichen größere Änderungen der Induktivitäten L₄₆ und L₄₇ für einen gegebenen Steuerstrom Ic durch die Steuerwicklung 45. Ein kreisförmiger Querschnitt für den Kern 41 stellt im Gegensatz zu anderen Arten von Querschnitten, wie zum Beispiel einem rechteckigen Querschnitt, eine homogenere Verteilung des magnetischen Flusses durch den Querschnitt bereit, was zu einer homogeneren Sättigung des magnetischen Materials der Schenkel und der Verbindungsabschnitte führt. Infolgedessen kann größere Änderung der Induktivität für einen gegebenen Steuerwicklungs-Steuerstrom Ic erreicht werden. Zusätzlich hat ein Kreis den kürzesten möglichen Umfang für einen gegebenen Querschnitt. Dementsprechend wird eine gegebene Anzahl von Windungen um einen kreisförmigen Schenkel des Kerns 41 eine kürzere Gesamtlänge von Draht erfordern als diejenige, die für Schenkel erforderlich ist, die eine unterschiedliche Querschnittsfläche haben, wie beispielsweise eine rechteckige. Die kürzere Gesamtlänge des Drahtes führt zu einem geringeren Leistungsverlust des veränderlichen Induktors 40.
Jedoch können andere Formen für die Querschnitte der Schenkel und der Verbindungsabschnitte verwendet werden. Weiterhin kann das Verjüngen eines Querschnitts eines der Verbindungsabschnitte 48 bis 51 in einer Dimension oder in zwei Dimensionen erfolgen. Eine praktische Ausführung verwendet einen rechteckigen Querschnitt für die Verbindungsabschnitte 48 bis 51 mit der Verjüngung in nur einer Dimension, wie in der Perspektivansicht der 5 gezeigt. Die 5 ist eine Perspektivansicht der in der 3 gezeigten Erfindung.
Das Verwenden eines einzelnen magnetischen Elements (durchgängig durch einen Querschnitt, entnommen senkrecht zu dem Fluss des Magnetflusses in Betrieb) für den mittleren Schenkel ermöglicht eine konstante Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung. Damit die Induktivität der Steuerwicklung 45 genau konstant ist, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

1. Die äußeren Wicklungen 46 und 47 auf den äußeren Schenkeln 42 und 44 sind parallel geschaltet.
2. Der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 ist gleich der Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel 42 und 44.
3. Die Verbindungsabschnitte 48 bis 51 sind nicht vollständig gesättigt. Wenn die Verbindungsabschnitte nicht vollständig gesättigt sind, bleibt die Kopplung der Wicklungen erhalten, während die Schenkel in Sättigung übergehen. Auf Grund der Tatsache, dass die Verbindungsabschnitte größere Querschnitte haben als die Querschnitte der äußeren Schenkel, werden die Verbindungsabschnitte ungesättigt vorgehalten. Dies gilt, wenn die Verbindungsabschnitte verjüngt sind, wie dargestellt.

Die Induktivität der Steuerwicklung 45 wird im Wesentlichen konstant sein, wenn der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 etwas größer ist als die Summe der Querschnitte der äußeren Schenkel 42 und 44, vorausgesetzt, dass die äußeren Schenkel und der mittlere Schenkel im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel aufweisen.
Bei Betrieb der Erfindung, wie in der 3 gezeigt, ist die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 auf dem mittleren Schenkel 43 von einem niedrigen Wert, wenn mit den Induktivitäten L₁₂ und L₁₃ nach dem Stand der Technik verglichen. Weiterhin ändert sich die Induktivität der Steuerwicklung 45 bei einer Änderung des Steuerstroms Ic nicht signifikant. Tatsächlich wird sich die Induktivität der Steuerwicklung 45 überhaupt nicht mit dem Steuerstrom Ic ändern, wenn der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels 43 genau der Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel 42 und 44 entspricht. Die äußeren Wicklungen 46 und 47 wirken als kurzgeschlossene Sekundärwicklungen auf einem Transformator mit der Wicklung 45 als Primärwicklung. Infolgedessen wird die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 nur durch die Leckinduktivität des Transformators bestimmt. Dementsprechend kann die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 niedrig und von im Wesentlichen konstanten Wert sein.
Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zum Verändern der Induktivität L₄₆ und L₄₇ eines induktiven Stromkreiselements 46 oder 47 in Übereinstimmung mit dem Steuerstrom Ic vor. In dem ersten Verfahren wird ein dreischenkliger Kern aus sättigungsfähigem Magnetmaterial erhalten, der magnetische Querschnitt eines mittleren Schenkels 43 des Kerns 41 relativ zu den magnetischen Querschnitten der beiden äußeren Schenkel 42 und 44 des Kerns 41 wird so eingerichtet, dass die äußeren Schenkel 42 und 44 und der mittlere Schenkel 43 im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel haben, wenn der Steuerstrom geändert wird, und die Parallelwicklungen 46 und 47 werden so auf die äußeren Schenkel 42 und 44 des dreischenkligen Kerns gewickelt, dass der Magnetfluss Φ, der durch den Strom durch die Parallelwicklungen 46 und 47 entsteht, in dem mittleren Schenkel 43 des Kerns aufgehoben wird. Des Weiteren wird eine Steuerwicklung 45 um den mittleren Schenkel 43 des Kerns gewickelt. Der Steuerstrom Ic der Steuerwicklung 45 wird geändert, um die Sättigungspegel der äußeren Schenkel 42 und 44 des Kerns 41 zu ändern, um die Induktivität L₄₆ und L₄₇ jeder der Parallelwicklungen 46 und 47 auf den äußeren Schenkeln 42 und 44 zu verändern. Die Induktivität L₄₅ der Steuerwicklung 45 auf dem mittleren Schenkel 43 des Kerns wird im Wesentlichen konstant mit Änderungen des Steuerstroms Ic auf den Steuerwicklungen 45 gehalten.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, wird es für einen Fachmann ist dieser Technik offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vorgesehen sind. Die Zeichnungen und die Beschreibung der bevorzugten Ausführungen sind als beispielhaft zu verstehen und schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein, sondern es ist beabsichtigt, dass innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, alle derartigen Änderungen und Modifikationen abgedeckt werden.

Claims

Veränderlicher Induktor (40), der umfasst: einen Kern (41), der aus einem sättigungsfähigen magnetischen Material besteht, wobei der Kern drei Schenkel (42, 43, 44) hat, die einen mittleren Schenkel (43) und zwei äußere Schenkel (42, 44) enthaften; eine Steuerwicklung (45) auf dem mittleren Schenkel und Wicklungen (46, 47) auf jedem der äußeren Schenkel, die parallel so verbunden sind, dass der magnetische Fluss, der durch Ströme durch die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln entsteht, in dem mittleren Schenkel aufgehoben wird; wobei ein Strom durch die Steuerwicklung eine geänderte Induktivität über die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln verursacht, indem der Sättigungspegel der äußeren Schenkel geändert wird, der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels relativ zu den magnetischen Querschnitten der äußeren Schenkel so ist, dass die äußeren Schenkel und der mittlere Schenkel im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel haben, und der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels genauso groß ist wie oder größer als die Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Steuerwicklung bei einer Änderung des Stroms in der Steuerwicklung im Wesentlichen konstant ist und der mittlere Schenkel ein einzelnes magnetisches Element umfasst.
Veränderlicher Induktor nach Anspruch 1, wobei sich die Abschnitte des Kerns, die die drei Schenkel verbinden, von dem mittleren Schenkel zu den äußeren Schenkeln hin verjüngen.
Veränderlicher Induktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittlere Schenkel durch ein einzelnes magnetisches Element gebildet wird.
Veränderlicher Induktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Schenkel des Kerns einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat.
Veränderlicher Induktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Abschnitte des Kerns, der die Schenkel verbindet, einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat.
Veränderlicher Induktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte des Kerns, die die Schenkel verbinden, sich in wenigstens einer Dimension verjüngen.
Verfahren zum Verändern der Induktivität eines induktiven Schaltungselementes entsprechend einem Steuerstrom, das umfasst: a) Erzeugen eines Kerns (41) aus sättigungsfähigem magnetischem Material mit drei Schenkeln; b) Wickeln paralleler Wicklungen (46; 47) auf die äußeren Schenkel des Kerns so, dass der magnetische Fluss, der durch Strom durch die parallelen Wicklungen entsteht, in dem mittleren Schenkel des Kerns aufgehoben wird; c) Wickeln einer Steuerwicklung (45) auf den mittleren Schenkel des Kerns; und d) Verändern des Steuerstroms an der Steuerwicklung, um den Sättigungspegel der äußeren Schenkel des Kerns zu ändern und die Induktivität jeder der parallelen Wicklungen zu verändern; dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Steuerwicklung auf dem mittleren Schenkel des Kerns bei Änderungen des Stroms an der Steuerwicklung im Wesentlichen konstant bleibt und der mittlere Schenkel ein einzelnes magnetisches Element umfasst; ein magnetischer Querschnitt eines mittleren Schenkels (43) des Kerns relativ zu magnetischen Querschnitten von zwei äußeren Schenkeln (42, 44) des Kerns so eingestellt ist, dass die äußeren Schenkel und der mittlere Schenkel im Wesentlichen gleiche Sättigungspegel haben und der magnetische Querschnitt des mittleren Schenkels genauso groß ist wie oder größer als die Summe der magnetischen Querschnitte der äußeren Schenkel.