EP0709865A1 - Method and device for coupling magnetic material with electric windings - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and an arrangement for coupling magnetically conductive material with at least one electrical winding, in particular for use in electrical current and voltage converters.
- converters are used to transform AC or three-phase current to high voltages, to avoid high losses when transporting electrical energy over long distances, or to generate high currents that are mainly used in technology in the aluminum industry and in welding technology, where The control and monitoring of high energy consumption is an essential requirement.
- the greatest importance is the current and / or voltage converter as a connecting element between electronics and power circuits when measuring and controlling the magnetic flux. It is mostly about the isolated measurement (without interrupting the electrical circuit) of all types of voltages and currents . In addition, electronic control circuits are supplied with precise signals via the power circuits, with electrical isolation.
- a ring or core transformers or converters generate a magnetic flux over a first winding which induces a higher or lower voltage or current in a second winding depending on the number of turns ratio of the first to the second winding. So if you want to achieve a large gear ratio, you can do this by using large numbers of turns.
- the basic idea for solving the problem is to deform a magnetically conductive material in such a way that the flux lines guided by this material span a surface whose edge has wing-like bulges. These 'wings' are then arranged so that several such wings (magnetic windings) can be penetrated on a simple path, i.e. line segment, circle or pitch circle.
- the magnetically conductive material In order to obtain practical surfaces with such 'wings' (magnetic windings), the magnetically conductive material must be guided in a spiral or have anisotropic properties that bring the flux lines into a spiral path.
- first toroid 1 made of soft magnetic material (for example ferrite or iron, that is to say material with a permeability 1), on which a winding 2 (electrical conductor) is made, in the transducer technology electrically conductive material (eg copper) with winding start 3 and winding end 4 is provided.
- soft magnetic material for example ferrite or iron, that is to say material with a permeability 1
- winding 2 electrical conductor
- electrically conductive material eg copper
- the winding has 8 (eight) turns, that is, the wire of the winding 2 has been passed eight times through the opening of the toroidal core 1 .
- Soft magnetic material acts like a conductor for the magnetic flux lines, roughly speaking by the value u better than air or vacuum.
- the flux line density corresponds to the magnetic induction B with the SI unit * Tesla * (Vsm) and the area integral of the flux line density corresponds to a flux or magnetic flux with the SI unit * Weber * (Vs).
- River lines are always closed curves. If you let the cross section of the toroid shrink to zero without the number of river lines (or to influence the magnetic flux), then finally all flux lines concentrate on the center line of the toroid (flux lines and center line are not shown in the figures for the sake of clarity). In the present arrangement, this center line is a circular line that spans a circular area. The number of penetrations of the electrical conductor through this area corresponds to the number of turns.
- a second toroidal core 1 * made of soft magnetic material is plastically deformable. If one tightens an electrical conductor 2 * more and more, then this plastically deformable second toroidal core 1 * would deform so that the second toroidal core 1 * and electrical conductor 2 * would initially wrap around each other.
- the center line of the second toroid 1 * would no longer be a flat curve, but a spiral.
- the area that would be spanned by this center line would have an eight-fold deformed, wavy edge. Nevertheless, the electrical winding penetrates this spanned area eight times, ie still the same as in Fig. 1a .
- the electrical wire is now shortened further and further - as shown in Fig. 1c - that is, the plastically deformable third toroidal core 1 ** has to give way more and more until it finally wraps around the electrical wire in the form of a spiral and thus one represents the first embodiment of the teaching according to the invention.
- the center line of the third ring core 1 ** now spans a surface with eight wings. In practice, such a surface resembles the surface of a fan or a propeller.
- the eight wings are penetrated by the electrical conductor, which has now become a turn.
- the original winding 'with eight turns' is now reduced to a simple circular line, which still electrically generates eight times the magnetic flux of the deformed third toroid.
- FIG. 2a A further arrangement, as shown in FIG. 2a , explains a basic configuration with two winding layers in the model procedure similar to that of FIGS. 1a , 1b and 1c .
- a first toroidal core 1 two, a first winding 2a , with a winding start 3a and a winding end 4a , and a second winding 2b with a winding beginning 3b and a winding end 4b , windings 2a and 2b are arranged.
- the second winding 2b is designed along the first toroid with a white center line
- winding end 4a of the first winding 2a is electrically connected to the winding start 3b by a junction 5 . Both windings 2a and 2b thus fuse into a single winding with a total of 16 (sixteen) turns.
- FIG. 2f the actual end result of the model presentation is shown: it is therefore no longer necessary to have two separate windings 2a and 2b , but the arrangement can in principle consist of a double loop which is inserted into the third toroidal core 1 ** .
- FIG. 3 shows a first practical example, which is particularly well suited as a current transformer with a high transmission ratio on the one hand and as a DC measuring device on the other.
- the arrangement shown spans an area F delimited by an edge of a magnetic path 30 , M , formed by twenty (20) so-called bridge elements 31 , each meanderingly connected to one another by corresponding web elements 32 in such a way that they cage-like a winding package 36 provided in the interior (what one or more windings with one or more turns each) can surround).
- Each winding package 36 can comprise one or more windings, each with a winding start 33 and a winding end 34 , each individual turn thus penetrating the spanned area F twenty times.
- a current conductor 37 running in the center of the surface F perpendicular to this (of which only a short section is shown for the sake of clarity) penetrates the surface F only once.
- the meandering cage is constructed from bridge elements 31 and web elements 32 from ferrite rods or from iron sheet packages, which are designed to be assembled.
- the winding or wrapping around the electrical winding package 36 with soft magnetic wire (wires) or one or more strips or the formation of packages of soft magnetic wires (strips) is provided to form a spiral.
- FIG. 4a shows a core 48 made of magnetically conductive material, which spans a rectangular area and on whose one web a double winding 42 with three turns, the corresponding winding starts 43 and the corresponding winding ends 44 , is wound.
- the model concept sketched in FIGS . 1a, 1b and 1c is achieved by step-wise deformation of the core, the edge 46 of which has the shape of a spiral - see FIGS . 4c and 4d - and the interior 47 of which is the cage-like wrap one of two turns connected by a connection point 45 as shown in Fig. 4b .
- the core for guiding the magnetic path does not have to have a constant cross section along the entire path.
- 5 shows a rectangular U-core 50 made of magnetically conductive material with an air gap 52 , a partial air gap 53 and a local thickening 51 . All of these 'irregularities' can occur individually and in any combination in guiding such a magnetic path.
- the transverse webs are not subjected to magnetic windings.
- FIG. 7 Another principal variant -As in Fig. 7, the use shown represents a core E-leg shape formed.
- a further winding 75 is then arranged on the middle leg 72 .
- FIG. 8 A construction with such wavy current conductors is shown in Fig. 8 .
- a magnetic flux generated by a primary winding 87 is transmitted via a first magnetically conductive element 84 and a plurality of Z-shaped core legs 80 , each of which is placed on top of the other in pairs with their outer legs 81 and 85 , and which form a grid-shaped magnetic path running in two planes, the central leg 82 is surrounded by an electrical winding 88 .
- the electrical winding 88 penetrates the area spanned by the magnetic path four times via two passages 89a and 89b and has a current-transformation ratio of one to eight (1: 8) with the primary winding 87 , which penetrates the area only once.
- the wave-shaped configuration 86 which the turns of the electrical winding 88 have on their way around the middle leg 82 , cannot be compared with the spiral turns customary in electrical windings.
- Both the first magnetic element 84 and the Z-shaped core leg 80 with its two outer legs 81 and 85 are constructed from stamped and layered transformer sheets.
- this construction can also advantageously be produced in different size ratios than previously discussed, based on the methods customary in semiconductor and microtechnology, namely etching, vapor deposition, diffusion and the use of photomasks.
- the particularly space-saving arrangement - compared to the previously customary methods of producing the transducers in these applications in the form of discrete components and then placing them as parts on printed circuit boards - is particularly advantageous here.
- Fig. 9 the principle set out on the basis of the constructive solution in Fig. 8 is outlined in a model representation.
- the surface that is magnetically spanned in FIG. 8 and taken over in FIG. 9 is surrounded in FIG. 9 as the active surface 91 by the dotted center line 99 .
- the 'ripple' is this area recognizable.
- the surface has four so-called wings 92 . If one follows the electrical path of a winding 98 (in FIG. 8 / winding 88 ) by starting at the beginning of the winding 93b and following in the direction of the arrows, this path penetrates the active surface 91 eight times via the first penetrations 90a to 90h up to the winding end 94b .
- the order of the penetrations corresponds to that of the alphabetical ones.
- the primary winding 97 (in FIG. 8/87 ) with the primary winding start 93a and the primary winding end 94a penetrates the active surface 91 only once via the second penetration 90i . Otherwise, the windings pass through all penetrations in such a way that the electrical path penetrates the active surface 91 from bottom to top.
- FIG. 1 An example of such a construction is shown in perspective in FIG .
- a cylindrical magnetic core 102 with anisotropic magnetic properties causes the corresponding flux lines in the material to assume a helical or spiral path, as indicated by the arrows 106 , since this path has the least magnetic resistance.
- magnetic material can have anisotropic properties (Boll: Soft Magnetic Material, SIEMENS, 1979, page 27).
- anisotropic material can be produced by mechanical deformation or annealing in the magnetic field of special alloys as well as by structured incorporation of magnetic particles in a binder.
- the particles for this last variant can be microscopically small, but they can also have easily visible dimensions, for example in the case of layered sheets and / or wires.
- the magnetic path is closed in FIG. 10 by a yoke 103 made of magnetic material.
- the secondary winding 104 penetrates the area spanned by the flux lines 106 as often as the flux lines in the cylindrical magnetic core 102 have spiral circumferences.
- the transformation ratio between a primary winding 105 and the secondary winding 104 can be influenced by the anisotropy (slope) of the magnetic material.
- FIG. 11 shows a further exemplary embodiment for the basic structure of a magnetic path 106 of a transformer with a transmission ratio of two to one in a perspective representation.
- the spiral shape is not helical, but lies in one plane.
- the area spanned by this path thus has 'wings' that are nested within one another.
- One turn of the one winding 117 penetrates the spanned area twice, but the one turn of the other winding 118 penetrates the surface only once.
- a corresponding secondary winding 128 with a corresponding winding start 123b and a winding end 124b, is now even more wavy (meandering) than is provided in the exemplary embodiment in FIG. 8 .
- Such wave-shaped bulges 126 differ significantly from the windings customary in classic transformer technology.
- a magnetic flux generated by a primary winding 127 with a corresponding winding start 123a and a winding end 124a , runs via a magnetically conductive element 124 , which has a meandering lattice structure in the area of the coupling with the secondary winding 128 having.
- FIGS. 12 and 13 can advantageously be produced in accordance with the methods described above based on semiconductor and micro technology, such as etching, vapor deposition, diffusion and the use of photomasks.
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Verkopplung magnetisch leitenden Materials mit wenigstens einer elektrischen Wicklung, insbesondere zum Einsatz bei elektrischen Strom- und Spannungswandlern.The invention relates to a method and an arrangement for coupling magnetically conductive material with at least one electrical winding, in particular for use in electrical current and voltage converters.
Wandler dienen einerseits zur Transformierung von Wechsel- bzw. Drehstrom auf hohe Spannungen, um beim Transport elektrischer Energie über grosse Entfernungen hohe Verluste zu vermeiden oder um hohe Ströme zu erzeugen, die in der Technik hauptsächlich bei der Aluminiumindustrie und in der Schweisstechnik Anwendung finden, wo die Beherrschung und Überwachung des hohen Energieverbrauches eine unumgängliche Forderung ist.On the one hand, converters are used to transform AC or three-phase current to high voltages, to avoid high losses when transporting electrical energy over long distances, or to generate high currents that are mainly used in technology in the aluminum industry and in welding technology, where The control and monitoring of high energy consumption is an essential requirement.
Andererseits werden sie als Strom- und Spannungswandler für die Traktion in der Hochgeschwindigkeits-Zügen verwendet, wobei sowohl der Stromverbrauch der entsprechenden Messsysteme als auch die Wiedergabe der Signale grosse Anforderungen an konstruktive Abmessungen, wie auch an Qualität stellen.On the other hand, they are used as current and voltage converters for traction in high-speed trains, whereby both the power consumption of the corresponding measuring systems and the reproduction of the signals place great demands on the structural dimensions and quality.
Die grösste Bedeutung stellt der Strom- und/oder Spannungswandler aber als Verbindungselement Zwischen Elektronik- und Leistungskreisen bei der Messung und Steuerung des magnetischen Flusses dar. Dabei geht es meistens um die isolierte Messung (ohne Unterbrechung des elektrischen Kreises) aller Arten von Spannungen und Strömen. Zudem werden dabei elektronische Kontrollkreise mit genauen Signalen über die Leistungskreise, bei galvanischer Trennung, versorgt.The greatest importance is the current and / or voltage converter as a connecting element between electronics and power circuits when measuring and controlling the magnetic flux. It is mostly about the isolated measurement (without interrupting the electrical circuit) of all types of voltages and currents . In addition, electronic control circuits are supplied with precise signals via the power circuits, with electrical isolation.
Üblicherweise wird dabei mittels Ring- oder Kerntransformatoren oder -Wandler über eine erste Wicklung ein magnetischer Fluss erzeugt, der in einer zweiten Wicklung eine höhere oder niedere Spannung oder Strom -je nach Windungzahl-Verhältnis der ersten zur zweiten Wicklung- induziert. Will man also ein grosses Übersetzungverhältnis erreichen, so erreicht man dies durch grosse unterschiedliche Windungszahlen.Usually, a ring or core transformers or converters generate a magnetic flux over a first winding which induces a higher or lower voltage or current in a second winding depending on the number of turns ratio of the first to the second winding. So if you want to achieve a large gear ratio, you can do this by using large numbers of turns.
Es hat sich somit als nachteilig erwiesen, dass damit solche Wandler allein aufgrund der hohen Windungszahlen erhebliche ohmsche Verluste aufweisen, die kaum vermeidbar sind.It has therefore proven to be disadvantageous that such converters have considerable ohmic losses which are hardly avoidable simply because of the high number of turns.
Es wurde auch schon versucht das den magnetischen Fluss leitende weichmagnetische Material durch anisotropisches Material zu ersetzen, um eine Minimalisierung der Verluste zu erreichen.Attempts have also already been made to replace the soft magnetic material which conducts the magnetic flux with anisotropic material in order to minimize losses.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zur Verkopplung magnetischen Materials mit elektrischen Wicklungen so zu verbessern, dass
- mit weniger elektrischer Leistung ein hoher magnetischer Fluss erzeugbar ist,
- mit weniger hohem elektrischem Strom ein höherer magnetischer Fluss erreichbar ist und
- eine geringere kapazitive Kopplung vorliegt,
- eine einfachere Herstellung der elektrischen Wicklung möglich ist.
- a high magnetic flux can be generated with less electrical power,
- a higher magnetic flux can be achieved with less high electrical current and
- there is less capacitive coupling,
- easier manufacture of the electrical winding is possible.
Der Grundgedanke zur Lösung der Aufgabe liegt darin, ein magnetisch leitendes Material so zu verformen, dass die von diesem Material geleiteten Flusslinien eine Fläche aufspannen, deren Rand flügelartige Ausbuchtungen aufweist. Diese 'Flügel' werden dann so angeordnet, dass auf einem einfachen Pfad, also Liniensegment, Kreis oder Teilkreis mehrere solcher Flügel (magnetische Windungen) durchdrungen werden können.The basic idea for solving the problem is to deform a magnetically conductive material in such a way that the flux lines guided by this material span a surface whose edge has wing-like bulges. These 'wings' are then arranged so that several such wings (magnetic windings) can be penetrated on a simple path, i.e. line segment, circle or pitch circle.
Um praxisgerechte Flächen mit derartigen 'Flügeln' (magnetische Windungen) zu erhalten, muss das magnetisch leitende Material spiralförmig geführt werden oder anisotrope Eigenschaften besitzen, die die Flusslinien auf eine spiralförmige Bahn bringen.In order to obtain practical surfaces with such 'wings' (magnetic windings), the magnetically conductive material must be guided in a spiral or have anisotropic properties that bring the flux lines into a spiral path.
Durch diese spiralförmige (mäanderförmige) Pfadführung für den magnetischen Fluss erreicht man eine Mehrfachverkopplung jeder einzelnen Windung, die sich mit der einfachen Formel beschreiben lässt:
- Mit einfach herzustellenden elektrischen Wicklungen kann ein hoher Magnetfluss im magnetischen Material erzeugt werden.
- Die elektrischen Wicklungen können niederohmiger ausgelegt werden und grösseren Drahtquerschnitt aufweisen.
- Mit einer kleinen Flussänderung kann in der entsprechenden elektrischen Wicklung eine hohe Spannung erzeugt werden. (Dies wirkt sich insbesondere bei derart ausgestalteten allen Arten von Sensoren, bei denen der Magnetfluss bzw. eine Magnetflussänderung in ein elektrisches Signal gewandelt werden muss, vorteilhaft aus.)
- Dieses Verfahren lässt symmetrische Konstruktionen zu, bei denen das Risiko von lokalen Kernsättigungen minimalisiert werden kann.
- A high magnetic flux can be generated in the magnetic material with electrical windings that are easy to manufacture.
- The electrical windings can be designed with a lower resistance and have a larger wire cross-section.
- With a small change in flux, a high voltage can be generated in the corresponding electrical winding. (This has an advantageous effect, in particular, in all types of sensors designed in this way, in which the magnetic flux or a change in magnetic flux has to be converted into an electrical signal.)
- This method allows for symmetrical constructions in which the risk of local core saturation can be minimized.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer prinzipieller Darstellungen und einer Anzahl von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1a
- Ein erste Ringkern-Anordnung mit einer Wicklung nach dem Stand der Technik;
- Fig. 1b
- eine erste Modell-Vorstellung mit Hilfe einer Ringkern-Anordnung;
- Fig. 1c
- eine zweite Modell-Vorstellung mit Hilfe einer Ringkern-Anordnung;
- Fig. 2a
- eine zweite Ringkern-Anordnung nach dem Stand der Technik;
- Fig. 2b
- die zweite Ringkern-Anordnung mit einer dritten Modell-Vorstellung;
- Fig. 2c
- die zweite Ringkern-Anordnung mit einer Modell-Vorstellung analog Fig. 1b;
- Fig. 2d
- die zweite Ringkern-Anordnung mit einer Modell-Vorstellung analog Fig. 1c;
- Fig. 2e
- die zweite Ringkern-Anordnung mit einer verdrillten Wicklung und erfindungsgemässer Lösung;
- Fig. 2f
- die zweite Ringkern-Anordnung mit einer regelmässigen 2-Windungs-Wicklung gemäss erfindungsgemässer Lösung;
- Fig. 3
- ein erstes Ausführungsbeispiel eine praktischen Anordnung;
- Fig. 4a
- eine Prinzipdarstellung eines Rechteck-Kerns mit zwei Wicklungen nach dem Stand der Technik;
- Fig. 4b
- die Prinzipdarstellung aus Fig. 4a mit der dritten Modell-Vorstellung analog Fig. 2b;
- Fig. 4c
- die Prinzipdarstellung aus Fig. 4a geformt nach der erfindungsgemässen Lehre;
- Fig. 4d
- die Prinzipdarstellung aus Fig. 4a geformt nach der erfindungsgemässen Lehre mit regelmässiger 2-Draht-Wicklung;
- Fig. 5
- die Prinzipdarstellung aus Fig. 4d mit inhomogener Rechteck-Kern-Ausbildung;
- Fig. 6
- die Prinzipdarstellung aus Fig. 4d mit zwei getrennten magnetischen Wicklungszügen;
- Fig. 7
- eine Prinzipdarstellung eines Drei-Steg-Kernwandlers mit Anwendung der erfindungsgemässen Lehre auf dem Mittelsteg;
- Fig. 8
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer praktischen Anordnung;
- Fig. 9
- die Verifikation der praktischen Anordnung aus Fig. 8 mit Modell-Annahmen;
- Fig. 10
- ein drittes Ausführungsbeispiel einer praktischen Anordnung;
- Fig. 11
- eine Prizipdarstellung einer Variante der Anwendung der erfindungsgemässen Lehre;
- Fig. 12
- eine Variante des in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiels;
- Fig. 13
- die Verifikation der praktischen Anordnung aus Fig. 12 mit Modell-Annahmen.
- Fig. 1a
- A first toroidal arrangement with a winding according to the prior art;
- Fig. 1b
- a first model presentation using a toroidal arrangement;
- Fig. 1c
- a second model presentation using a toroidal arrangement;
- Fig. 2a
- a second toroidal arrangement according to the prior art;
- Fig. 2b
- the second toroidal arrangement with a third model concept;
- Fig. 2c
- the second toroidal core arrangement with a model presentation analogous to FIG. 1b ;
- Fig. 2d
- the second toroidal arrangement with a model presentation analogous to FIG. 1c ;
- Fig. 2e
- the second toroidal core arrangement with a twisted winding and solution according to the invention;
- Fig. 2f
- the second toroidal core arrangement with a regular 2-turn winding according to the solution according to the invention;
- Fig. 3
- a first embodiment a practical arrangement;
- Fig. 4a
- a schematic diagram of a rectangular core with two windings according to the prior art;
- Fig. 4b
- the basic illustration from FIG. 4a with the third model presentation analogous to FIG. 2b ;
- Fig. 4c
- the schematic diagram of Figure 4a shaped according to the teaching of the invention;
- Fig. 4d
- the schematic representation of Figure 4a shaped according to the teaching of the invention with regular 2-wire winding;
- Fig. 5
- the basic representation of Figure 4d with inhomogeneous rectangular core design.
- Fig. 6
- the schematic diagram of Figure 4d with two separate magnetic winding cables.
- Fig. 7
- a schematic diagram of a three-bridge core converter using the teaching according to the invention on the central bridge;
- Fig. 8
- a second embodiment of a practical arrangement;
- Fig. 9
- the verification of the practical arrangement from FIG. 8 with model assumptions;
- Fig. 10
- a third embodiment of a practical arrangement;
- Fig. 11
- a schematic representation of a variant of the application of the teaching according to the invention;
- Fig. 12
- a variant of the embodiment shown in Fig. 8 ;
- Fig. 13
- the verification of the practical arrangement from FIG. 12 with model assumptions.
Fig 1a zeigt eine Anordnung aus dem Stand der Technik mit einem sogenannten ersten in der Wandler-Technik bekannten, Ringkern 1 aus weichmagnetischem Material (z.B. Ferrit oder Eisen, also Material mit einer Permeabilität 1), auf dem eine Wicklung 2 (elektrischer Leiter) aus elektrisch leitfähigem Material (z.B. Kupfer) mit Wicklungsanfang 3 und Wicklungsende 4, vorgesehen ist. 1a shows an arrangement from the prior art with a so-called
Bei dieser Anordnung besitzt die Wicklung 8 (acht) Windungen, das heisst der Draht der Wicklung 2 wurde achtmal durch die Öffnung des Ringkern 1 hindurchgeführt.In this arrangement, the winding has 8 (eight) turns, that is, the wire of the winding 2 has been passed eight times through the opening of the
Weichmagnetisches Material wirkt wie ein Leiter für die magnetischen Flusslinien und zwar grob gesagt um den Wert u besser als Luft oder Vakuum. Die Flussliniendichte entspricht der magnetischen Induktion B mit der SI Einheit *Tesla* (Vsm ) und das Flächenintegral der Flussliniendichte einem Fluss oder Magnetfluss mit der SI Einheit *Weber* (Vs). Flusslinien sind dabei immer geschlossene Kurven. Wenn man nun in Gedanken den Querschnitt des Ringkernes zu Null schrumpfen lässt ohne die Anzahl der Flusslinien (beziehungsweise den Magnetfluss) zu beeinflussen, dann konzentrieren sich schliesslich alle Flusslinien auf die Mittenlinie des Ringkernes (Flusslinien und Mittenlinie sind in den Figuren der Übersichtlichkeithalber nicht eingezeichnet). Diese Mittenlinie ist in der vorliegenden Anordnung eine Kreislinie, die eine Kreisfläche aufspannt. Die Anzahl der Durchdringungen des elektrischen Leiters durch diese Fläche entspricht der Anzahl der Windungen. Obwohl diese Kreisfläche keine physikalische Bedeutung hat, handelt es sich um eine anschaulische Methode, um zu bestimmen, wie oft der Magnetfluss von einem elektrischen Leiter erfasst wird, beziehungsweise wieviel Windungen im klassischen Sinn eine Wicklung aufweist. Das elektrische Signal an den Drahtenden verhält sich nämlich so, als wäre der tatsächlich vorhandene Magnetfluss um die Anzahl der Windungen (beziehungsweise mit den Durchdringungen) multipliziert.Soft magnetic material acts like a conductor for the magnetic flux lines, roughly speaking by the value u better than air or vacuum. The flux line density corresponds to the magnetic induction B with the SI unit * Tesla * (Vsm) and the area integral of the flux line density corresponds to a flux or magnetic flux with the SI unit * Weber * (Vs). River lines are always closed curves. If you let the cross section of the toroid shrink to zero without the number of river lines (or to influence the magnetic flux), then finally all flux lines concentrate on the center line of the toroid (flux lines and center line are not shown in the figures for the sake of clarity). In the present arrangement, this center line is a circular line that spans a circular area. The number of penetrations of the electrical conductor through this area corresponds to the number of turns. Although this circular area has no physical meaning, it is an illustrative method to determine how often the magnetic flux is detected by an electrical conductor or how many turns a winding has in the classic sense. The electrical signal at the wire ends behaves as if the actual magnetic flux were multiplied by the number of turns (or by the penetrations).
In einer weiteren modellhaften Anordnung, wie sie Fig 1b zeigt, hat man sich vorzustellen, ein zweiter Ringkern 1* aus weichmagnetischem Material sei plastisch verformbar. Wenn man einen elektrischen Leiter 2* immer mehr spannt, dann würde sich dieser plastisch deformierbare zweite Ringkern 1* so verformen, dass zweiter Ringkern 1* und elektrischer Leiter 2* sich zunächst gegenseitig umschlingen würden. Die Mittenlinie des zweiten Ringkerns 1* wäre jetzt keine ebene Kurve mehr, sondern eine Spirale. Die Fläche die von dieser Mittellinie aufgespannt würde, besässe einen achtfach verformten, welligen Rand. Trotzdem durchdringt die elektrische Wicklung diese aufgespannte Fläche achtmal, also immer noch gleich wie in Fig. 1a.In a further model arrangement, as shown in FIG. 1b , one has to imagine that a second
In der Weiterführung der Modellvorstellung wird nun der elektrische Draht immer weiter verkürzt -wie in Fig. 1c gezeigt- , d.h. der plastisch verformbar angenommene dritte Ringkern 1** muss immer mehr weichen bis er zuletzt den elektrischen Draht in Form einer Spirale umschlingt und damit eine erste Ausführung der erfindungsgemässen Lehre darstellt.
Die Mittenlinie des dritten Ringkernes 1** spannt nun eine Fläche mit acht Flügeln auf. In Praxis gesehen ähnelt eine solche Oberfläche der Oberfläche eines Lüfters (Ventilators) oder einer Schiffsschraube. Die acht Flügel werden also vom elektrischen Leiter, der jetzt zu einer Windung geworden ist, durchdrungen. Die ursprüngliche Wicklung 'mit acht Windungen'reduziert sich jetzt auf eine einfache Kreislinie, die elektrisch immer noch den achtfachen Magnetfluss des verformten dritten Ringkernes erzeugt.In the continuation of the model presentation, the electrical wire is now shortened further and further - as shown in Fig. 1c - that is, the plastically deformable third
The center line of the
Eine weitere Anordnung, wie in Fig. 2a gezeigt, lässt eine prinzipielle Konfiguration mit zwei Wicklungslagen in der modellhaften Vorgehensweise gleich den Figuren 1a, 1b und 1c, erläutern. Um einen ersten Ringkern 1 sind zunächst zwei, eine erste Wicklung 2a, mit einem Wicklungsanfang 3a und einem Wicklungsende 4a, und eine zweite Wicklung 2b mit ebenfalls einem Wicklungsanfang 3b und einem Wicklungsende 4b, Wicklungen 2a und 2b angeordnet. (Der Übersichtlichkeithalber ist die zweite Wicklung 2b entlang des ersten Ringkerns mit einer weissen Mittenlinie ausgeführt)A further arrangement, as shown in FIG. 2a , explains a basic configuration with two winding layers in the model procedure similar to that of FIGS. 1a , 1b and 1c . Around a first
Gemäss Fig. 2b wird wird das Wicklungsende 4a der ersten Wicklung 2a mit dem Wicklungsanfang 3b elektrisch durch eine Zusammenführung 5 fest verbunden. Beide Wicklungen 2a und 2b verschmelzen damit zu einer einzigen Wicklung mit insgesamt 16 (sechzehn) Windungen. 2b , the winding
Wie in Fig. 1b modellhaft angenommen, hat man sich jetzt wieder vorzustellen, der weichmagnetisch aufgebaute zweite Ringkern 1* sei plastisch verformbar -wie in Fig. 2c dargestellt-. Durch Spannen des elektrischen Drahtes, beziehungsweise der Wicklung weicht der Ringkern auch diesmal zu einer Spiralform aus. Dieses Spannen kann man sich so vorstellen, dass immer eine Windung der ersten Wicklung 2a und eine Windung der zweiten Wicklung 2b nahe zusammenliegen. Der plastisch gedachte zweite Ringkern 1* verformt sich also zu einer Spirale mit acht Umgängen, obwohl die gesamte elektrische Windungszahl sechzehn (16) beträgt.As assumed in Fig. 1b as a model, one has to imagine again that the soft magnetic
In Fig. 2d ist der dritte Ringkern 1** fertig verformt, jedoch sind die erste und zweite Wicklung 2a und 2b noch verdrillt. Es zeigt sich jedoch, dass ganz gleich ob die erste und zweite Wicklung 2a und 2b verdrillt sind, wie in dieser Figur gezeigt, oder ob die beiden Wicklungen glatt nebeneinander verlaufen, wie dies in Fig. 2e gezeigt ist, die vom Ringkern aufgespannte Fläche wird vom elektrischen Leiter 16 (sechzehn)-mal durchdrungen und besitzt damit die Eigenschaft einer Wicklung mit 16 Windungen.In Fig. 2d the
Gemäss Fig. 2f ist das eigentliche Endergebnis der Modellvorstellung gezeigt: Es braucht also nicht mehr zwei gesonderte Wicklungen 2a und 2b, sondern die Anordnung kann prinzipiell aus einer zweifachen Schlaufe bestehen, die in den dritten Ringkern 1** eingelegt ist.According to FIG. 2f , the actual end result of the model presentation is shown: it is therefore no longer necessary to have two
In Fig. 3 ist ein erstes praktisch erprobtes Ausführungsbeipiel gezeigt, das sich besonders gut als Stromtransformator mit hohem Übersetzungsverhältnis einerseits und als Gleichstrommesseinrichtung andererseits eignet. FIG. 3 shows a first practical example, which is particularly well suited as a current transformer with a high transmission ratio on the one hand and as a DC measuring device on the other.
Die gezeigte Anordnung spannt eine durch einen Rand eines magnetischen Pfades 30, M begrenzte Fläche F, gebildet durch zwanzig (20) sogenannte Brückenelemente 31, jeweils mäanderartig miteinander durch entsprechende Stegelemente 32 so verbunden, dass sie käfigartig ein im Innern vorgesehenes Wicklungspaket 36 (was aus einer oder mehreren Wicklungen mit je einer oder mehreren Windungen bestehen kann) umgeben. Jedes Wicklungspaket 36 kann dabei einen oder mehrere Wicklungen mit je einem Wicklungsanfang 33 und einem Wicklungsende 34 umfassen, wobei jede einzelne Windung durchdringt die aufgespannte Fläche F also zwanzig Mal. Ein im Zentrum der Fläche F, senkrecht zu dieser verlaufender Stromleiter 37 (von dem der Übersichtlichkeit wegen nur ein kurzer Abschnitt gezeichnet ist), durchdringt die Fläche F hingegen nur ein einziges Mal.The arrangement shown spans an area F delimited by an edge of a
Das ergibt also für einen Stromtransformator ein hohes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Stromleiter 37 und dem Wicklungspaket 36. Eingesetzt für die Gleichstrommessung wird der Strom in das Wicklungspaket 36 eingespiesen und der Magnetfluss M im magnetischen Pfad 30 zu Null geregelt (Kompensationsprinzip).This results in a high transmission ratio for a current transformer between the
Die Konstruktion des mäanderförmigen Käfigs aus Brückenelementen 31 und Stegelementen 32 erfolgt aus Ferritstäben oder aus Eisenblechpaketen, die zusammensetzbar gestaltet sind.The meandering cage is constructed from
Als Variante dieser konstruktiven Gestaltung für die Herstellung solcher Wicklungskäfige ist das Umwicklen bzw. Umschlingen des elektrischen Wicklungspaketes 36 mit weichmagnetischem Draht (Drähten) oder einem oder mehreren Bändern oder die Ausbildung von Paketen weichmagnetischer Drähte (Bänder) zu einer Spirale vorgesehen.As a variant of this constructive design for the manufacture of such winding cages, the winding or wrapping around the electrical winding
Eine weitere Variante dieser konstruktiven Gestaltung für die Herstellung solcher Wicklungskäfige stellt die Verwendung eines anisotropen Materials dar, aus der der Käfig als Hohltorus gefertigt wird, wobei das anisotrope Material so erzeugt wird, dass ein spiralförmiger Verlauf des magnetischen Flusses gewährleistet ist.Another variant of this structural design for the manufacture of such winding cages is the use of an anisotropic material from which the cage is manufactured as a hollow torus, the anisotropic material being produced in such a way that a spiral course of the magnetic flux is ensured.
Ferner ist wichtig zu beachten, dass der Kern für die Führung des magnetischen Flusses erstens keine Rotationssymmetrie aufweisen muss. In Fig. 4a ist ein Kern 48 aus magnetisch leitendem Material gezeigt, der eine rechteckige Fläche umspannt und auf dessen einem Steg eine Doppelwicklung 42 mit drei Windungen, den entsprechenden Wicklungsanfängen 43 und den entsprechenden Wicklungsenden 44, aufgewickelt ist. Wieder wird von der in den Figuren 1a, 1b, und 1c skizzierten Modellvorstellung ausgegangen durch schrittweises Verformen des Kern zu einem solchen zu gelangen, dessen Rand 46 die Form einer Spirale aufweist -siehe Fig. 4c und 4d- und dessen Inneres 47 die käfigartige Umschlingung eines über einen Verbindungspunkt 45 -wie in Fig. 4b gezeigtmiteinander verbundenen zwei Windungen, darstellt.It is also important to note that the core for guiding the magnetic flux does not have to have rotational symmetry. FIG. 4a shows a core 48 made of magnetically conductive material, which spans a rectangular area and on whose one web a double winding 42 with three turns, the corresponding winding starts 43 and the corresponding winding ends 44 , is wound. Again, it is assumed that the model concept sketched in FIGS . 1a, 1b and 1c is achieved by step-wise deformation of the core, the
Zudem muss erwähnt werden, dass der Kern für die Führung des magnetischen Pfades zweitens nicht dem ganzen Pfad entlang einen konstanten Querschnitt aufweisen muss. In Fig. 5 ist ein Rechteck-U-Kern 50 aus magnetisch leitendem Material mit einem Luftspalt 52, einem Teilluftspalt 53 sowie einer lokalen Verdickung 51 dargestellt. Alle diese 'Unregelmässigkeiten' können einzeln und in beliebiger Kombination in einer Führung eines solchen magnetischen Pfades vorkommen.It must also be mentioned that, secondly, the core for guiding the magnetic path does not have to have a constant cross section along the entire path. 5 shows a rectangular U-core 50 made of magnetically conductive material with an
Zur Verstärkung des Feldes kann auch vorgesehen werden, Teilzonen 60a und 60b auf den Schenkeln eines Rechteck-, U- oder Schnittband-Kernes 61 -siehe dazu Fig. 6- unabhängig voneinander in Spiralform auszuführen und getrennte Wicklungen darin zu plazieren. Die Querstege sind bei dieser Ausführungsform nicht mit magnetischen Windungen beaufschlagt.To reinforce the field, it can also be provided that
Eine weitere prinzipielle Variante -wie in Fig. 7 dargestelltstellt die Verwendung eines E-schenkelförmig gebildeten Kerns dar. Dabei werden zwei, auf je einem ersten Teilschenkel 70 und auf je einem zweiten Teilschenkel 71 angeordneten ersten 73 und zweiten 74 Wicklungen erzeugten Flüsse auf dem mit magnetischen Windungen versehenen Mittelschenkel 72, der wiederum Spiralform aufweist, zusammengeführt. Auf dem Mittelschenkel 72 ist dann eine weitere Wicklung 75 angeordnet.Another principal variant -As in Fig. 7, the use shown represents a core E-leg shape formed. In this case, two, fluxes generated on each a first portion of
In der Praxis ist es bei einer weiteren Ausführung, wie in Fig. 8 dargestellt, teilweise notwendig auch die Windungen einer Wicklung konstruktiv der Führung des magnetischen Flusses anzupassen. Die Spiralform des magnetischen Pfades kann nämlich unter Umständen so schwach ausgebildet sein, dass die Stromleiter -würden sie auf perfekten Geraden oder Kreisbögen geführt- die 'Flügel' der aufgespannten Fläche nicht mehr durchdringen können, sondern dies ist nur möglich, wenn die Stromleiter konstruktiv so geführt werden, dass sie von den magnetischen Fluss umschlungen werden.In practice, in a further embodiment, as shown in FIG. 8 , it is sometimes necessary to adapt the turns of a winding constructively to the guidance of the magnetic flux. The spiral shape of the magnetic path can sometimes be so weak that the current conductors - if they were guided on perfect straight lines or arcs - can no longer penetrate the 'wings' of the spanned area, but this is only possible if the current conductors are so designed that the magnetic flux envelops them.
Eine Konstruktion mit solchen wellig verlaufenden Stromleitern ist in Fig. 8 gezeigt. Ein von einer Primärwindung 87 erzeugter magnetischer Fluss wird über ein erstes magnetisch leitendes Element 84 und mehrere, jeweils paarweise mit ihren Aussenschenkeln 81 und 85 aufeinander abgelegte Z-förmige Kernschenkel 80, die einen in zwei Ebenen verlaufenden gitterförmigen magnetischen Pfad bilden, der im Mittelschenkel 82 von einer elektrischen Wicklung 88 umfasst wird, geführt. Die elektrische Wicklung 88 durchdringt dabei die vom magnetischen Pfad aufgespannte Fläche über zwei Durchgänge 89a und 89b je viermal und besitzt dabei ein Strom-Transformations-Verhältnis von eins zu acht (1:8) mit der Primärwindung 87, die die Fläche nur einmal durchdringt.A construction with such wavy current conductors is shown in Fig. 8 . A magnetic flux generated by a primary winding 87 is transmitted via a first magnetically
Die wellenförmige Ausbildung 86, die die Windungen der elektrischen Wicklung 88 bei ihrem Weg um die Mittelschenkel 82 aufweisen, sind nicht in Vergleich zu bringen mit den bei elektrischen Wicklungen üblichen Spiralwindungen.The wave-shaped
Sowohl das erste magnetische Element 84 wie auch der Z-förmige Kernschenkel 80 mit seinen beiden Aussenschenkeln 81 und 85 sind aus gestanzten und geschichteten Transformatorblechen aufgebaut.Both the first
Selbstverständlich kann diese Konstruktion auch vorteilhafterweise, in anderen Grössenverhältnissen als bisher besprochen, in Anlehnung an die in der Halbleiter- und Mikrotechnik üblichen Verfahren, nämlich Ätzen, Aufdampfen, Diffussion und Verwendung von Photomasken, hergestellt werden. Die besonders platzsparende Anordnung -gegenüber den bisher üblichen Verfahren, die Wandler bei diesen Anwendungen in Form von diskreten Bauteilen herzustellen und dann als Teile auf Printplatten aufzusetzen- macht sich hier besonders vorteilhaft bemerkbar.Of course, this construction can also advantageously be produced in different size ratios than previously discussed, based on the methods customary in semiconductor and microtechnology, namely etching, vapor deposition, diffusion and the use of photomasks. The particularly space-saving arrangement - compared to the previously customary methods of producing the transducers in these applications in the form of discrete components and then placing them as parts on printed circuit boards - is particularly advantageous here.
In Fig. 9 wird das aufgrund der konstruktiven Lösung in Fig. 8 dargelegte Prinzip in Modelldarstellung skizziert. Die aus der Fig. 8 magnetisch aufgespannte und in Fig. 9 übernommene Fläche ist in Fig. 9 als Wirkfläche 91 von der punktierten Mittenlinie 99 umrandet. In der perspektivischen Darstellung ist die 'Welligkeit' dieser Fläche erkennbar. Die Fläche besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel vier sogenannte Flügel 92. Verfolgt man den elektrischen Pfad einer Wicklung 98 (in Fig. 8 / Wicklung 88) indem man am Wicklungsanfang 93b startet und in Richtung der Pfeile folgt, dann durchdringt dieser Pfad die Wirkfläche 91 via den ersten Durchdringungen 90a bis 90h bis zum Wicklungsende 94b achtmal. Die Reihenfolge der Durchdringungen entspricht dabei der der alphabetischen.
Die Primärwicklung 97 (in Fig. 8 / 87) mit Primärwicklungsanfang 93a und Primärwicklungsende 94a durchdringt die Wirkfläche 91 nur einmal über die zweite Durchdringung 90i. Im übrigen sind alle Durchdringungen so von den Windungen durchlaufen, dass der elektrische Pfad die Wirkfläche 91 jeweils von unten nach oben durchdringt.In Fig. 9 the principle set out on the basis of the constructive solution in Fig. 8 is outlined in a model representation. The surface that is magnetically spanned in FIG. 8 and taken over in FIG. 9 is surrounded in FIG. 9 as the active surface 91 by the dotted
The primary winding 97 (in FIG. 8/87 ) with the primary winding
Durch Verwendung von magnetischem Material mit anisotropen magnetischen Eigenschaften kann erreicht werden, dass die Flusslinien elektrische Leiter umschlingen, ohne dass dies aus der äusseren Geometrie des magnetischen Materials ersichtlich ist, wie in den bis hierher erläuterten Ausführungsbeispielen.By using magnetic material with anisotropic magnetic properties, it can be achieved that the flux lines loop around electrical conductors without this being apparent from the outer geometry of the magnetic material, as in the exemplary embodiments explained so far.
In Fig. 10 ist ein Beispiel einer solchen Konstruktion perspektivisch dargestellt. Ein zylinderförmiger Magnetkern 102 mit anisotropen magnetischen Eigenschaften, bewirkt, dass die entsprechenden Flusslinien im Material wie mit den Pfeilen 106 angedeutet einen schrauben- bzw. spiralförmigen Pfad annehmen, da dieser Pfad den geringsten magnetischen Widerstand aufweist.An example of such a construction is shown in perspective in FIG . A cylindrical
Dass magnetisches Material anisotrope Eigenschaften aufweisen kann, ist bekannt (Boll: Soft Magnetic Material, SIEMENS, 1979, Seite 27). Solch anisotropes Material kann durch mechanische Verformung oder Glühen im Magnetfeld von besonderen Legierungen sowie durch strukturiertes Einlagern von magnetischen Partikeln in eine Bindemasse hergestellt werden. Die Partikel für diese letzte Variante können mikroskopisch klein sein, sie können aber auch gut sichtbare Dimensionen erreichen, wie beispielsweise bei geschichteten Blechen und/oder Drähten.It is known that magnetic material can have anisotropic properties (Boll: Soft Magnetic Material, SIEMENS, 1979, page 27). Such anisotropic material can be produced by mechanical deformation or annealing in the magnetic field of special alloys as well as by structured incorporation of magnetic particles in a binder. The particles for this last variant can be microscopically small, but they can also have easily visible dimensions, for example in the case of layered sheets and / or wires.
Der magnetische Pfad ist in Fig. 10 durch ein Joch 103 aus magnetischem Material geschlossen. Die Sekundär-Wicklung 104 durchdringt die von den Flusslinien 106 aufgespannte Fläche so oft, wie die Flusslinien im zylinderförmigen Magnetkern 102 spiralförmige Umgänge aufweisen.
Das Transformationsverhältnis zwischen einer Primärwicklung 105 und der Sekundär-Wicklung 104 ist durch die Anisotropie (Steigung) des magnetischen Materials beeinflussbar.The magnetic path is closed in FIG. 10 by a
The transformation ratio between a primary winding 105 and the secondary winding 104 can be influenced by the anisotropy (slope) of the magnetic material.
In Fig. 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den prinzipiellen Aufbau eines magnetischen Pfades 106 eines Transformators mit einem Übersetzungsverhältnis von zwei zu eins in perspektivischer Darstellung skizziert. 11 shows a further exemplary embodiment for the basic structure of a
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Spiralform nicht schraubenförmig ausgebildet, sondern liegt in einer Ebene. Die von diesem Pfad aufgespannte Fläche besitzt somit 'Flügel', die ineinander verschachtelt sind.
Die eine Windung der einen Wicklung 117 durchdringt die aufgespannte Fläche zweimal, die eine Windung der anderen Wicklung 118 durchdringt die Fläche jedoch nur einmal.In this embodiment, the spiral shape is not helical, but lies in one plane. The area spanned by this path thus has 'wings' that are nested within one another.
One turn of the one winding 117 penetrates the spanned area twice, but the one turn of the other winding 118 penetrates the surface only once.
Der in die Ebene verlegte magnetische Pfad lässt sich vorteilhafterweise weiter nutzen. Wie in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 12 gezeigt verläuft eine entsprechende Sekundär-Wicklung 128, mit einem entsprechenden Wicklungsanfang 123b und einem Wicklungsende 124b jetzt noch stärker gewellt (mäanderförmig) als dies im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 vorgesehen ist. Solche wellenförmige Ausbuchtungen 126 unterscheiden sich hingegengen deutlich von in der klassischen Transformator-Technik üblichen Windungen.
Ebenfalls wie in Fig. 8 verläuft ein von einer Primär-Wicklung 127, mit einem entsprechenden Wicklungsanfang 123a und einem Wicklungsende 124a, erzeugter magnetischer Fluss über ein ein magnetisch leitendes Element 124, das im Bereich der Kopplung mit der Sekundär-Wicklung 128 eine mäanderförmige Gitterstruktur aufweist.The magnetic path laid in the plane can advantageously be used further. As shown in an exemplary embodiment in FIG. 12 , a corresponding secondary winding 128 , with a corresponding winding
As in FIG. 8 , a magnetic flux generated by a primary winding 127 , with a corresponding winding
Auch hier wird die prinzipielle Darstellung der Anordnung wie sie im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 gezeigt ist in Modell-Darstellung nachvollzogen. In dieser Fig. 13 ist die von einer Mittenlinie 139 umrandete Wirkfläche 131 im Gegensatz zur Wirkfläche 91 in Fig. 9 eben. Ansonsten gelten alle anderen Aussagen entsprechend.Here, too, the basic representation of the arrangement as shown in the exemplary embodiment in FIG. 12 is reproduced in a model representation. In this FIG. 13 , the active surface 131 surrounded by a
Anordnungen wie sie in den Figuren 12 und 13 dargestellt sind lassen sich vorteilhaft gemäss den zuvor beschriebenen in Anlehnung an die Halbleiter- und Mikrotechnik bekannten Verfahren herstellen wie Ätzen, Aufdampfen, Diffusion und Verwendung von Photomasken herstellen.Arrangements as shown in FIGS. 12 and 13 can advantageously be produced in accordance with the methods described above based on semiconductor and micro technology, such as etching, vapor deposition, diffusion and the use of photomasks.
Der Übersichtlichkeitshalber sind in den Ausführungsbeispielen ausnahmslos Einphasen-Anordnungen dargestellt. Die erfindungsgemässe Lehre lässt sich jedoch genau gleich bei Mehrphasen-Anordnungen, insbesondere bei Drehstromanordnungen anwenden und/oder verwirklichen. (siehe dazu auch beispielsweise Fig. 7)For the sake of clarity, single-phase arrangements are shown in the exemplary embodiments without exception. However, the teaching according to the invention can be applied and / or implemented exactly the same in multi-phase arrangements, in particular in three-phase arrangements. (see also for example Fig. 7 )
Claims (23)
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel, beziehungsweise Massnahmen, zur Beeinflussung der Führung des magnetischen Flusses im magnetisch leitenden Material (1, 1*, 1**) vorgesehen werden, die es ermöglichen mit pro einer Windung der elektrischen Wicklung (2, 2*) mehr als eine magnetische Verkopplung zu erreichen (Fig. 1c).Method for coupling magnetically conductive material ( 1 ) with at least one electrical winding ( 2 ), in particular for use in electrical current and voltage converters,
characterized in that
Means or measures are provided for influencing the guidance of the magnetic flux in the magnetically conductive material ( 1, 1 *, 1 ** ), which allow more than one magnetic coupling with one turn of the electrical winding ( 2, 2 * ) to achieve ( Fig. 1c ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Beeinflussung der Führung des magnetischen Flusses in der geometrischen Gestaltung des magnetisch leitenden Materials liegen und der magnetische Pfad derart geführt wird, dass magnetische Windungen (1**) erzeugt werden.Method according to claim 1 ,
characterized in that
the means for influencing the guidance of the magnetic flux lie in the geometric design of the magnetically conductive material and the magnetic path is guided in such a way that magnetic windings ( 1 ** ) are generated.
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen durch spiralförmige und/oder mäanderförmige Führung des magnetischen Flusses erzeugt werden (Fig. 1c; Fig. 2e + Fig. 2f; Fig. 3).Method according to claim 2 ,
characterized in that
the magnetic windings are generated by spiraling and / or meandering guidance of the magnetic flux ( Fig. 1c; Fig. 2e + Fig. 2f; Fig. 3 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen eine verschachtelte Anordnung (Fig. 11) aufweisen.Method according to claim 3 ,
characterized in that
the magnetic windings have a nested arrangement ( FIG. 11 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen durch spiralförmige und/oder mäander Führung des magnetischen Flusses in anisotropem Material erzeugt werden (Fig. 10).Method according to claim 2 ,
characterized in that
the magnetic windings are generated by spiraling and / or meandering guidance of the magnetic flux in anisotropic material ( FIG. 10 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen die Windungen der elektrischen Wicklungen umschlingen (Fig. 1c; Fig. 2e + Fig. 2f; Fig 3).Method according to one of the preceding claims 2-5 ,
characterized in that
the magnetic windings loop around the windings of the electrical windings ( Fig. 1c; Fig. 2e + Fig. 2f; Fig. 3 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen nur in einem Teil des magnetisch leitenden Materials (Fig. 4c + Fig. 4d; Fig. 5, Fig. 7) ausgebildet sind.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the magnetic windings are formed only in part of the magnetically conductive material ( FIGS. 4c + 4d; 5, 7 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetischen Windungen und die elektrischen Windungen (Fig. 13) durch Ätzen, Aufdampfen, Diffusionstechnik, Verwendung von Photomasken und andere in der Microtechnik übliche Verfahren, hergestellt werden.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
the magnetic windings and the electrical windings ( FIG. 13 ) are produced by etching, vapor deposition, diffusion technology, the use of photomasks and other methods customary in micro technology.
dadurch gekennzeichnet, dass
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, dass
als magnetisch leitendes Material weichmagnetische Bänder oder Drähte verwendet werden.Method according to claim 9 ,
characterized in that
soft magnetic tapes or wires can be used as the magnetically conductive material.
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (1) Zonen aufweist, in denen die Windungen wenigstens einer elektrischen Wicklung (2) mehrfach vom magnetischen Material (1) umschlungen sind.Arrangement for performing the method according to claim 1 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 1 ) has zones in which the windings of at least one electrical winding ( 2 ) are wrapped several times by the magnetic material ( 1 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (1) Zonen aufweist, in denen spiral- und/oder mäanderförmige magnetische Windungen (1**, 31+32, 46+47) vorgesehen sind.Arrangement according to claim 11 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 1 ) has zones in which spiral and / or meandering magnetic windings ( 1 **, 31 + 32, 46 + 47 ) are provided.
dadurch gekennzeichnet, dass
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohl-Torus durch käfigartig die Windungen der ersten Wicklung (36) übergreifende, durch Stegelemente (32) miteinander verbundene Brückenelemente (31) gebildet ist.Arrangement according to claim 13 ,
characterized in that
the hollow torus is formed by bridge elements ( 31 ) which cross over the windings of the first winding ( 36 ) and are connected to one another by web elements ( 32 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
die den Hohl-Torus bildenden Stegelemente (32) und Brückenelemente (31) aus Ferritstäben oder aus Eisenblechpaketen zusammensetzbar vorgesehen sind.Arrangement according to claim 14 ,
characterized in that
the web elements ( 32 ) and bridge elements ( 31 ) forming the hollow torus are provided to be assembled from ferrite rods or from iron sheet packages.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohl-Torus durch käfigartig die Windungen der ersten Wicklung (36) umgreifende weichmagnetische Bänder und/oder Drähte gebildet ist.Arrangement according to claim 13 ,
characterized in that
the hollow torus is formed by soft magnetic tapes and / or wires encompassing the turns of the first winding ( 36 ) in a cage-like manner.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohl-Torus durch ein hohlzylinderförmig die Windungen der ersten Wicklung (36) umgreifendes Rohr aus anisotropem Material gebildet ist.Arrangement according to claim 13 ,
characterized in that
the hollow torus is formed by a tube of anisotropic material encompassing the turns of the first winding ( 36 ) in the shape of a hollow cylinder.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steigung des spiralförmig verlaufenden magnetischen Flusses im Hohl-Torus ein Mass für die Anzahl der magnetischen Windungen darstellt.Arrangement according to claim 17 ,
characterized in that
the slope of the spiral magnetic flux in the hollow torus is a measure of the number of magnetic windings.
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (1) in an sich bekannter Kernform (Ring-, U-, E-Form) vorgesehen ist und mehrere Zonen (60a, 60b) aufweist, in denen spiral- und/oder mäanderförmige magnetische Windungen angeordnet sind.Arrangement according to claim 12 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 1 ) is provided in a known core shape (ring, U, E shape) and has a plurality of zones ( 60a, 60b ) in which spiral and / or meandering magnetic windings are arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (124) sowie die Windungen einer ersten Wicklung (128) direkt auf einer planen Fläche herstellbar sind.Arrangement according to claim 12 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 124 ) and the turns of a first winding ( 128 ) can be produced directly on a flat surface.
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (84, 124) Zonen aufweist, in denen U-gitterförmige magnetische Windungen (85) angeordnet sind, zwischen denen elektrische Windungen einer ersten Wicklung (82, 128) hindurchschlaufbar sind.Arrangement according to claim 11 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 84, 124 ) has zones in which U-shaped magnetic windings ( 85 ) are arranged, between which electrical windings of a first winding ( 82, 128 ) can be looped.
dadurch gekennzeichnet, dass
die U-gitterförmige magnetische Windungen (85) aus Z-förmigen Kernschenkeln (80) und über ihre Aussenschenkel (81, 85), aus gestanzten und/oder geschichteten Transformatorblechen gefertigten, durch Verbinden der Aussenschenkel (81, 85) herstellbar sind.Arrangement according to claim 21 ,
characterized in that
the U-lattice-shaped magnetic windings ( 85 ) can be produced from Z-shaped core legs ( 80 ) and, via their outer legs ( 81, 85 ), from stamped and / or layered transformer sheets, by connecting the outer legs ( 81, 85 ).
dadurch gekennzeichnet, dass
das magnetisch leitende Material (103) Zonen aufweist, in denen die magnetischen Windungen (102) durch hohlzylinderrohrförmig angeordnetes anisotropisches Material gebildet ist, wobei dabei die elektrische Windung(en) der ersten Wicklung (104) im Zentrum des Hohlzylinders geführt ist.Arrangement according to claim 11 ,
characterized in that
the magnetically conductive material ( 103 ) has zones in which the magnetic windings ( 102 ) are formed by anisotropic material arranged in the shape of a hollow cylinder, the electrical winding (s) of the first winding ( 104 ) being guided in the center of the hollow cylinder.
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CH3209/94 | 1994-10-26 | ||
CH320994 | 1994-10-26 |
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