Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung, deren Induktivität durch einen Steuerstrom veränderbar
ist.
Aus dem U.S. Patent 2,274,059 ist eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität bekannt,
welche zwei rechteckige Ringkerne aufweist, die Arbeitswicklungen und jeweils zwei
miteinander verbundene Steuerwicklungen auf getrennten Schenkeln der Kerne auftragen.
Die EP-A-0 737 989 offenbart eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, die zwei
rechteckige Ringkerne aufweist, welche Arbeitswicklungen auf einem Schenkel und Steuerwicklungen
auf einem gegenüberliegenden Schenkel der rechteckigen Ringkerne tragen.
Die DE-C-36 21 573 offenbart eine stromkompensierte Funk-Entstördrossel mit zwei oder
mehr Ringkernen und mit gleichmäßig über den Umfang der Ringkerne verteilten Wicklungen.
Spulenanordnungen mit veränderbarer Induktivität werden in energietechnischen und nachrichtentechnischen
Anwendungen eingesetzt. Eine solche Anwendung von Spulen mit veränderlicher
Induktivität liegt im Bereich von Schaltnetzteilen, um die im Hochfrequenzbereich
stattfindende Energieübertragung den schwankenden Lastanforderungen anzupassen.
Die früheste Art, die Induktivität einer Spule zu variieren, bestand darin, die Position eines
Eisenkerns, oder Ferritkerns, in der Spule mechanisch zu verändern. Eine solche Veränderung
der Induktivität der Spule wurde z.B. bei einem einmaligen Abgleich eines Schwingkreises
vorgenommen. Sobald die variable Induktivität der Spule jedoch als Element eines Regelkreises
eingesetzt wird, muß es möglich sein, die Induktivität der Spule möglichst schnell mittels
eines elektrischen Signals zu verändern. Für die Realisierung einer solchen elektrisch steuerbaren
Induktivität kann der Effekt ausgenutzt werden, daß die relative magnetische Permeabilität
von ferro- und ferrimagnetischen Werkstoffen mit der magnetischen Flußdichte im
Material sinkt. Aufbauend auf diesem Wirkungsprinzip wurden in der Vergangenheit zahlreiche
Spulenanordnungen vorgeschlagen, die mittels eines Stroms in einer Steuerspule eine
Vormagnetisierung eines magnetisch hoch permeablen Spulenkerns bewirken und so die Induktivität
der Arbeitswicklung, die ebenfalls auf dem Spulenkern aufgebracht ist, steuern.
Eine der ersten Veröffentlichungen hierzu ist das U.S. Patent 2,229,952 von Whiteley und
Ludbrook mit dem Titel "Magnetic Amplifier" aus dem Jahre 1941. Die dort beschriebene
Spule weist einen EE Kern auf, der auf seinem Mittelschenkel eine Steuerwicklung und auf
den Außenschenkeln die Arbeitswicklungen trägt. Die Steuerwicklung wird von einem
Gleichstrom durchflossen und erzeugt dadurch einen magnetischen Fluß in dem EE Kern, der
sich auf alle drei Schenkel verteilt. Das Kernmaterial wird dabei durch den durch die Steuerwicklung
fließenden Strom vormagnetisiert. Mittels der Vormagnetisierung wird die effektive
Permeabilität des Kernmaterials verändert und somit auch die Induktivität der Arbeitswicklungen.
Mit zunehmendem Steuerstrom und in der Folge sinkender Permeabilität verschlechtern sich
die magnetischen Flußführungseigenschaften für den durch die äußeren Wicklungen erzeugten
hochfrequenten Fluß in den äußeren Schenkeln, so daß gerade in Bereichen niedriger Induktivität
starke elektromagnetische Störemissionen auftreten.
Ein Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten und ähnlicher Anordnungen liegt
darin, daß die an den Arbeitswicklungen anliegende Wechselspannung in die Steuerspule
transformiert wird, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der Anordnung verschlechtem.
Hinzu kommt, daß die Steuerspule in vielen Anwendungen eine deutlich größere Windungszahl
aufweist als die Arbeitsspulen, wodurch diese Problematik verschärft wird.
Dieser Nachteil wurde im Stand der Technik bereits erkannt, und es wurden Versuche unternommen,
ihn zu beheben. In der britischen Patentanmeldung GB 2 195 850 A1 wird vorgeschlagen,
einen Kondensator zu der Steuerwicklung parallel zu schalten. In dem U.S. Patent
6,317,021 wird vorgeschlagen, zur Vermeidung dieses Problems, eine Parallelschaltung der
Arbeitswicklungen vorzusehen. Das erste Verfahren hat den Nachteil zusätzlicher Verluste
aufgrund eines Kurzschlußstroms in der Steuerwicklung. Bei der Lösung des U.S. Patentes
6,317,021 werden die Arbeitswicklungen so verschaltet, daß sich die durch diese Wicklungen
erzeugten magnetischen Flüsse für die Steuerwicklung aufheben. Die Aufhebung der Flüsse
(Flußanihilation) in der Steuerwicklung tritt jedoch nur dann auf, wenn der magnetische
Leitwert in den Außenschenkeln und dem Mittelschenkel für beide Seiten des EE Kernes
gleich ist. Die herstellungsbedingt unvermeidbaren parasitären Luftspalte an den Stoßflächen
der beiden EE-Kernhälften sind jedoch häufig Ursachen für Asymmetrien in dem magnetischen
Leitwert. Gemäß dem U.S. Patent 6,317,021 wird durch geeignete Querschnittsverhältnisse
der Schenkel des Kerns für Arbeitsspulen und Steuerspulen eingestellt, ob auch der
Mittelschenkel in die Sättigung geht und damit eine Induktivitätsänderung auch der Steuerspule
bewirkt wird. Um zu vermeiden, daß bei steigendem Sättigungsstrom der mittlere
Schenkel, welcher die Steuerspule trägt, schneller in die Sättigung geht als die äußeren
Schenkel, schlägt das U.S. Patent vor, daß der mittlere Schenkel eine Querschnittsfläche aufweist,
die mindestens doppelt so groß ist wie die Querschnittsflächen der jeweils äußeren
Schenkel.
Ein großer Nachteil aller Anordnungen auf der Basis von EE-Kernen besteht darin, daß bei
hohen Aussteuerungen das Magnetfeld der Arbeitsspulen zu einem erheblichen Teil den dann
niedrig permeablen Kern verläßt und EMV-relevante Störfelder entstehen. Dies ist insbesondere
bei Anwendungen mit hochfrequenten und sehr starken Strömen in den Arbeitswicklungen
der Fall, beispielsweise wenn die steuerbare Induktivität als reaktiver Vorwiederstand zur
Regelung der Leistung in Schaltnetzteilen eingesetzt wird.
Ein weiteres grundsätzliches Problem bei der Verwendung von EE Kernen entsteht durch die
unvermeidlichen parasitären Luftspalte an den Berührungsflächen der beiden Kernhälften.
Diese verursachen unterschiedliche magnetische Leitwerte für die Feldlinienwege durch die
beiden Arbeitsspulen und somit unterschiedliche Vormagnetisierungen. Daraus resultieren
einerseits erhebliche Toleranzen für den einstellbaren Induktivitätsbereich der Spulenkonfiguration,
andererseits treten Induktivitätsunterschiede zwischen den Wicklungen der Arbeitsspulen
auf. Letzteres bedeutet, daß die Spulenkonfiguration positive und negative Halbwellen
des Signals an den Arbeitsspulen unterschiedlich leitet.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität
anzugeben, die einen großen Aussteuerbereich hat und geringe elektromagnetische Störfelder
erzeugt, wobei auch die Verlustwärme der Spulenanordnung niedrig gehalten werden soll.
Diese Eigenschaften sind insbesondere in Schaltnetzteilen mit hoher Leistungsdichte relevant.
Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung sieht eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität vor, die zwei getrennte
Ringkernspulen aufweist, welche Arbeitswicklungen tragen, sowie eine Steuerwicklung,
die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials der Ringkernspulen die beiden bewickelten
Ringkernspulen umgreift. Erfindungsgemäß wird durch die Zylindersymmetrie der Ringkerne
sowie eine vorzugsweise gleichmäßige Verteilung der Arbeitswicklungen über den Umfang
der Ringkerne die Magnetfeldstärke außerhalb der Wicklungen erheblich reduziert, und
zwar unabhängig von der Permeabilität des Kernes.
Im Stand der Technik treten nämlich die elektromagnetischen Störfelder steuerbarer Induktivitäten
vor allem dann auf, wenn die magnetische Permeabilität des Kernmaterials aufgrund
der Vormagnetisierung klein geworden ist, weil dann das Magnetfeld der Spule zunehmend
außerhalb des Kerns verläuft. Zusätzlich ist bei niedriger Permeabilität die Spulenimpedanz
gering und der Spulenstrom besonders groß. Durch Vorsehen von gleichmäßig bewickelten
Ringkernspulen können die Störfelder außerhalb des Kerns jedoch weitgehend vermieden
werden.
Da die erfindungsgemäße Anordnung keine parasitäten Luftspalte im Feldlinienweg aufweist,
treten die damit verbundenen Toleranzen- und Asymmetrieprobleme nicht auf. Zudem ermöglicht
der wegen der nicht vorhandenen Luftspalte vergrößerte magnetische Leitwert eine
bessere Aussteuerung des Kerns bzw. einen größeren erreichbaren Induktivitätsbereichs.
Weiters ist der Herstellungsaufwand für zwei Toroide geringer als für zwei E-Kernhälften. Da
die Arbeitswicklungen erfindungsgemäß den gesamten Kern und nicht nur den äußeren Teil
der Schenkel umgeben, ergibt sich im Vergleich zu dem Stand der Technik ein vergrößerte
Wicklungsbreite. Dadurch kann mehr Kupfer pro Lage untergebracht werden, was geringere
Energieverluste in den Arbeitswicklungen bewirkt.
Insbesondere können durch die vorliegende Erfindung Ringkerne eingesetzt werden, deren
Symmetrie und konstante Querschnittsfläche optimale magnetische Eigenschaften ermöglichen.
Die unerwünschten Streufelder werden auf ein Minimum reduziert, und durch die Drehsymmetrie
wird gewährleistet, daß jeder Bereich des Kerns in gleichem Maße vormagnetisiert
ist. Die Kerne sind entlang ihrer Drehachse stapelbar, ohne ihre elektrischen Eigenschaften
einzubüßen, und ermöglichen eine kompakte Bauform bei guten Kühlungseigenschaften.
Erfindungsgemäß wird die Spulenanordnung aus wenigstens zwei geschlossenen Ringkemspulen
aufgebaut. Die Ringkernform wird gewählt, weil die magnetische Sättigung des
Kernmaterials hier besonders vorteilhaft erreicht werden kann. Rotationssymmetrische Ringkeme
sind den im Stand der Technik üblichen EE-Kemen hinsichtlich der EMV-relevanten
Störfelder und der Ausnutzung des Wicklungsraums überlegen. Es können sämtliche handelsüblichen
runde Ringkerne verwendet werden, wobei die Ringkerne vorzugsweise einen rechteckigen
Grundquerschnitt haben.
Erfindungsgemäß umfaßt die Spulenanordnung vorzugsweise zwei Ringkernspulen, die entweder
so angeordnet sind, daß ihre Symmetrieachsen zur Deckung kommen oder die in einer
gemeinsamen Ebene nebeneinander liegend angeordnet sind.
Bei einer koaxialen Anordnung der Ringkernspulen, mit in Deckung gebrachten Symmetrieachsen,
ist es auch möglich, ganzzahlige Vielfache von jeweils zwei Ringkernspulen entlang
der gemeinsamen Symmetrieachse anzuordnen. Auch wenn die Ringkerne in einer Ebene
angeordnet sind, ist die Spulenanordnung nicht auf zwei Ringkerne beschränkt. Es ist möglich,
eine dritte Ringkernspule in derselben Ebene, benachbart zu den ersten beiden Ringkemspulen
anzuordnen, wobei die drei Spulen dann über drei Steuerwicklungen gekoppelt wären,
welche jeweils zwei der Ringkernspulen umgreifen. Da sich hierdurch die elektrischen Eigenschaften
bezüglich der Leistungsdichte und des Wirkungsgrad verschlechtern können, ist es
jedoch günstiger, eine geradzahlige Anzahl von Ringkernspulen miteinander zu koppeln.
Bei der Ausführungsform mit koaxial übereinander angeordneten Ringkernspulen werden die
Windungen der Steuerwicklung vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang beider Ringkemspulen
verteilt. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute, gleichmäßige Vormagnetisierung
des Kernmaterials.
Jede der Ringkernspulen ist mit ihrer Arbeitswicklung vorzugsweise einlagig bewickelt. Dadurch
können die Kupferverluste durch den Hochfrequenzstrom gering gehalten werden.
Jede Arbeitswicklung kann aus einem einzelnen isolierten Draht, einer Gruppe parallel geschalteter
unverdrillter isolierter Einzeldrähte oder aus einer Litze aus verdrillten isolierten
Einzeldrähten gebildet werden. Bei Verwendung von Einzeldrähten wird der Drahtdurchmesser
vorzugsweise auf maximal die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe beschränkt. Für minimale
Energieverluste, d.h. Kupferverluste, sollte der effektive Kupferquerschnitt der Wicklungen
möglichst groß sein. Im Hinblick auf die Energieverluste sollte daher ein möglichst
dicker Draht gewählt werden. Bei Anwendung von Wechselstrom wird jedoch aufgrund des
Skineffekts der Bereich des Wicklungsdrahtes, der erheblich weiter als eine Skineffekt-Eindringtiefe
vom Drahtrand entfernt ist, weitgehend unwirksam. Ein Wicklungsdraht, der
dicker als die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe ist, wäre daher aus Gründen der Energieeffizienz
und Materialausnutzung ungünstig.
Die Skineffekt-Eindringtiefe δ wird für Kupferdraht bei realistischen Arbeitstemperaturen
näherungsweise wie folgt berechnet:
δ[mm] ≈ ƒ[kHz] 2,2
Erfindungsgemäß ist jede Arbeitswicklung möglichst gleichmäßig über den Umfang der entsprechenden
Ringkernspule verteilt. Wie erwähnt ist die Wicklung vorzugsweise einlagig.
Um die Verlustwärme zu minimieren, sollte die Wickelbreite des Ringkerns, die dem inneren
Ringkernumfang entspricht, möglichst vollständig ausgenutzt werden. Sofern die Arbeitswicklung
eine Windungsanzahl aufweist, welche nicht die gesamte Wickelbreite des Ringkems
abdecken würde, ist es zweckmäßig, die Arbeitswicklung in Teilwicklungen aufzuteilen
und diese parallel zu schalten. Hierdurch kann auch sichergestellt werden, daß der Stromfluß
gleichmäßig über den Kern verteilt wird, um so externe magnetische Störfelder zu unterdrükken.
Anstelle eines Einzeldrahtes oder paralleler Einzeldrahte kann die Arbeitswicklung auch
durch eine verdrillte Hochfrequenzlitze realisiert werden. Bei Hochfrequenzlitzen sollte der
Durchmesser der Einzeldrähte der Litze kleiner sein als die einfache Skineffekt-Eindringtiefe.
Die Arbeitswicklungen der beiden Ringkernspulen können parallel oder in Reihe geschaltet
werden. In jedem Fall sollte die Verschaltung der Arbeitswicklung so gewählt werden, daß
dann, wenn die Arbeitswicklungen stromdurchflossen sind, die von ihnen erzeugten Magnetfeldrichtungen
in der Steuerspule einander entgegengesetzt sind, so daß durch die Arbeitswicklungen
keine Ströme in der Steuerwicklung induziert werden. Eine Wechselwirkung zwischen
Arbeitswicklungen und Steuerwicklungen ist dadurch ausgeschlossen.
Eventuelle von den Arbeitswicklungen stammende in der Steuerwicklung induzierte Ströme
können Störungen in der Steuerwicklung erzeugen und bei energietechnischen Anwendungen
zudem eine unerwünscht hohe zusätzliche Erwärmung in der Steuerwicklung hervorrufen.
Gleichzeitig wird durch eine solche Wechselwirkung Energie von den Arbeitswicklungen auf
die Steuerwicklung übertragen, wodurch die Güte der Spulenanordnung verringert wird. Bestehen
keine Wechselwirkungen zwischen Steuerwicklung und Arbeitswicklung, so treten bei
Flußänderungen durch die Steuerwicklung keine Störungen in den Arbeitswicklungen auf.
Auch Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen können vorgesehen werden.
Vorteilhafterweise werden die Kerne aus gleichem Material gefertigt, so daß alle Kerne auf
einen entsprechenden Vormagnetisierungsgrad mit der gleichen effektiven Permeabilität reagieren.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit bezug auf die
Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
- Fig. 1
- eine schematischen Darstellung des Aufbaus einer Spulenanordnung mit veränderbarer
Induktivität gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 2A, 2B, 2C
- eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine schematische perspektivische
Darstellung einer Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 4 und 5
- eine schematische Darstellung der Verschaltung der Wicklungen der
erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Parallelschaltung bzw. in Reihenschaltung;
und
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung der Verschaltung einer Arbeitswicklung einer Ringkernspule,
die in mehrere Teilwicklungen aufgeteilt ist.
Figur 1 zeigt eine Spulenanordnung mit veränderlicher Induktivität gemäß dem Stand der
Technik bestehend aus einem EE-Kern 10 mit einem mittleren 12 und zwei äußeren Schenkeln
14, 16. Die beiden äußeren Schenkel tragen jeweils eine Arbeitswicklung 20, 22, die
parallel zueinander geschaltet sind. Der mittlere Schenkel 12 weist einen größeren Querschnitt
als die äußeren Schenkel 14, 16 auf und trägt eine Steuerwicklung 24. Durch die Steuerwicklung
24 fließt einen Steuerstrom 30, der im wesentlichen keinen Wechselstromanteil
hat. Dieser erzeugt einen Steuerfluß 32, der sich entsprechend der magnetischen Kopplung
gleichmäßig auf die beiden äußeren Schenkel 14, 16 verteilt 32a, b und dort die von dem
Steuerstrom 30 abhängige Vormagnetisierung erzeugt. Die beiden in den äußeren Schenkel
erzeugten Flüsse 34a,b ergeben durch den antisymmetrischen Wicklungssinn der äußeren Arbeitswicklungen
20, 22 in dem mittleren Schenkel 12 entgegengesetzte Flüsse 34a,b, deren
Beträge gleich sind, so daß sie sich dort aufheben. Dadurch gibt es keine Wechselwirkung
zwischen den äußeren Arbeitswicklungen 20, 22 und der Steuerwicklung 24. Durch die von
der Steuerwicklung 24 erzeugte Vormagnetisierung in den äußeren Arbeitswicklungen 20, 22
haben diese eine von dem Steuerstrom 30, abhängige veränderliche Induktivität Ivar.
Fig. 2A und 2B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Spulenanordnung mit
veränderbarer Induktivität gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Spulenanordnung
umfaßt zwei Ringkerne 40, 42 mit gleichen Abmessungen, die koaxial nebeneinander
angeordnet sind, so daß ihre Symmetrieachsen, die in Fig. 2A schematisch durch ein
Kreuz 44 angedeutet sind, zur Deckung kommen. Die Ringkerne 40, 42 haben vorzugsweise
einen rechteckigen Basisquerschnitt, wie besser in Fig. 2C erkennbar ist. Die Ringkerne bestehen
aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. Jeder Ringkern 40, 42 trägt eine
Arbeitswicklung 46 bzw. 48, von denen in Fig. 2A nur eine, 46, sichtbar ist. Eine Steuerwicklung
50 ist um die beiden bewickelten Ringkernspulen 40, 46 und 42, 48 gewickelt. Vorzugsweise
sind die Arbeitswicklungen 46, 48 einlagig auf ihre zugehörigen Ringkerne 40, 42
gewickelt, wobei die Wickelbreite so weit wie möglich ausgenutzt werden soll. Ebenso ist die
Steuerwicklung 50 gleichmäßig um den Umfang beider Ringkerne 40, 42 verteilt, um eine
optimale Führung des Vormagnetisierungsfeldes und eine homogene Aussteuerung der Kerne
zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein maximaler steuerbarer Induktivitätsbereich. Zusätzlich
werden Störfelder, welche von schnellen Änderungen der Steuersignale der Steuerspule 50
erzeugt werden können, nach außen hin unterdrückt.
Je nach Anwendung können die Arbeitswicklungen 46, 48 elektrisch parallel oder in Reihe
geschaltet werden. Der Wicklungssinn der Arbeitswicklungen 40, 42 sollte jedoch so gewählt
werden, daß sich für die Magnetfelder Bx und By, welche von den stromdurchflossenen
Wicklungen 46, 48 erzeugt werden, gegensinnige Magnetfeldrichtungen in der für beide
Ringkerne gemeinsamen Steuerspule 50 ergeben. Die Magnetfeldrichtungen sind in Fig. 2B
für die Arbeitswicklung 46 mit Bx, für die Arbeitswicklung 48 mit By und für die Steuerwicklung
50 mit Bc bezeichnet. Durch eine geeignete Verschaltung der Arbeitswicklungen
46, 48 kann so eine Rückwirkung der durch die Arbeitswicklungen erzeugten Magnetfelder
auf die Steuerwicklung 50 minimiert oder sogar vermieden werden. Durch die gemeinsame
Steuerwicklung 50 wird ein Steuer-Gleichstrom geschickt, der die magnetische Permeabilität
der Ringkerne 40, 42 und dadurch die Induktivität der Arbeitswicklungen 46, 48 verändern
und insbesondere reduzieren kann. Die Arbeitswicklungen 46, 48 werden in der Praxis mit
einem hochfrequenten Wechselstrom betrieben werden.
In der Darstellung der Fig. 2B sind die beiden Ringkernspulen 40, 46 und 42, 48 mit gemeinsamen
Rotationsachsen, jedoch beabstandet zueinander angeordnet, um die Bewicklung der
Spulen besser darstellen zu können. In der Praxis können die beiden Spulen jedoch auch nahe
benachbart nebeneinander angeordnet werden. Während die Arbeitswicklungen 46, 48 möglichst
einlagig, gleichmäßig und dicht auf die Kerne 40 bzw. 42 gewickelt sein sollen, sind die
Anforderungen an die Wicklung der Steuerspule 50 weniger streng. Diese sollte zwar auch
verteilt um den Umfang beider Spulenkerne 40, 42 gewickelt werden, die Verteilung muß
jedoch nicht gleichmäßig sein. Auch ist es nicht entscheidend, ob die Wicklung ein- oder
mehrlagig erfolgt.
Die gleichmäßig bewickelte Spulengeometrie ist inhärent selbstschirmend und verhindert, daß
magnetische Streufelder aus den Kernen 40, 42 austreten. Dadurch werden EMV-relevante
Streufelder verhindert. Auch wird im Vergleich zu den Anordnungen des Standes der Technik
eine gleichmäßigere Magnetisierung erreicht.
Fig. 2C dient lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen der Fig. 2A und 2B, wobei die
Arbeitswicklungen 46, 48 und die Steuerwicklung 50 nur schematisch dargestellt sind, um zu
veranschaulichen, wie die Ringkerne 40, 42 und die Wicklungen 46, 48, 50 relativ zueinander
angeordnet sind. In der Praxis werden die Arbeitswicklungen 46 und 48 sowie die Steuerwicklung
50, wie oben erläutert, vorzugsweise um den Umfang der Ringkerne 40, 42 verteilt
angeordnet.
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Spulenanordnung gemäß der Erfindung
in Draufsicht. In der Ausführungsform der Fig. 3 umfaßt die Spulenanordnung einen
ersten Ringkern 52 sowie einen zweiten Ringkern 54, die jeweils eine Arbeitswicklung 56
bzw. 58 tragen. Die Arbeitswicklungen 56, 58 sollten über den Umfang der Ringkerne 52
bzw. 54 gleichmäßig verteilt gewickelt sein. Vorzugsweise sind sie jedoch einlagig, gleichmäßig
um den gesamten Umfang der Ringkerne 52, 54 gewickelt, wie in den Fig. 2A und 2B
für die erste Ausführungsform dargestellt. Die beiden Ringspulen 52, 56 und 54, 58 sind in
einer Ebene nebeneinander liegend angeordnet, wobei eine Steuerwicklung 60 nur über einem
schmalen Teil des Umfangs der beiden Ringkerne 52, 54, wo diese einander berühren, gewikkelt
ist. Der Vorteil der Anordnung der Fig. 3 besteht im wesentlichen in der besonders flachen
Bauform und der großen Oberfläche, die vorteilhaft für die Kühlung der Spulenanordnung
ist.
In den Fig. 2B und 2C, in Fig. 3 sowie in den Fig. 4 und 5 sind die Arbeitswicklungen auch
mit X und Y bezeichnet, und die Steuerwicklung ist mit C bezeichnet. Die Enden der Arbeitswicklungen
X und Y können parallel geschaltet werden, wie in Fig. 4 gezeigt, oder in
Reihe geschaltet werden, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Fig. 4 und 5 zeigen auch die Wechselwirkung
zwischen den Arbeitsspulen X, Y und der Steuerspule C. Durch geeignete Verschaltung
der Arbeitsspulen X und Y sowie Wahl ihres Wicklungssinns wird sichergestellt, daß die
durch die Arbeitsspulen erzeugten Magnetfelder Bx und By so gerichtet sind, daß sie sich in
der gemeinsamen Steuerspule C aufheben, um keine Rückwirkung des durch die Arbeitswicklungen
erzeugten Magnetfeldes auf die Steuerwicklung zu erzeugen.
Wie oben erläutert, sollten die Arbeitswicklungen 46, 48; 56, 58 auf den Ringkernen 40, 42
bzw. 52, 54 um deren Umfang verteilt einlagig ausgeführt werden, um die Kupferverluste
durch den Hochfrequenzstrom, der durch die Arbeitswicklung geht, möglichst gering zu halten.
Der Drahtdurchmesser wird auf maximal die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe beschränkt.
Um Verlustwärme zu minimieren, sollte ferner die Wickelbreite möglichst vollständig ausgenutzt
werden. Mit anderen Worten soll der Wickelraum, d.h. der Innenumfang der Ringkemspulen
möglichst vollständig mit Kupfer gefüllt sein, um einen maximalen Wirkungsgrad zu
erhalten. Sofern die Arbeitswicklungen 46, 48; 56, 58 nicht eine ausreichend hohe Windungszahl
haben, ist es zweckmäßig, diese in Teilwicklungen aufzuteilen, welche parallel geschaltet
werden. Fig. 6 zeigt die Aufteilung einer Arbeitswicklung 62 in vier Teilwicklungen 63, 64,
65, 66, welche parallel geschaltet sind.
Für eine vorgegebene Windungszahl N (z.B. N = 4) wird die Anzahl der erforderlichen, parallel
geschalteten Teilwicklungen dadurch ermittelt, daß zunächst eine reelle Zahl m aus dem
inneren Toroidumfang Ui und der Skineffekt-Eindringtiefe δ ermittelt wird, wobei m dann zur
nächsten ganzen Zahl M aufgerundet wird. Da der Drahtdurchmesser auf die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe
begrenzt werden sollte, wie oben erörtert, wird ein Faktor 3 eingeführt,
um diese dreifache Skineffekt-Eindringtiefe zu berücksichtigen. Ferner wird ein Faktor 0,9
eingeführt, welcher der Tatsache Rechnung trägt, daß bei einer praktischen Realisierung einer
bewickelten Ringkernspule nicht die Gesamtwickelbreite zu 100% zur Verfügung steht. Somit
ergibt sich für die reele Zahl m folgende Formel:
m = 0.9·Ui 3·δ·N
Abhängig von der Windungszahl N der jeweiligen Arbeitswicklung werden somit vorzugsweise
M Teilwicklungen auf jedem Ringkern vorgesehen und wie in Fig. 6 gezeigt parallel
geschaltet.
Der korrespondierende Drahtdurchmesser d, der vorzugsweise zu verwenden ist, ergibt sich
hieraus wie folgt:
d = 0.9·Ui N·M
Anstelle eines Einzeldrahtes oder mehrerer paralleler Einzeldrähte können für die Arbeitswicklungen
auch verdrillte Hochfrequenzlitzen verwendet werden, wobei dann der Durchmesser
der Einzeldrähte entsprechend angepaßt werden muß und vorzugsweise kleiner als die
einfache Skineffekt-Eindringtiefe ist.
Die in der vorstehenden Beschreiben, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale
können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste
- 10
- Kern
- 12
- mittlerer Schenkel
- 14, 16
- äußere Schenkel
- 20, 22
- Spulenwicklungen
- 24
- Steuerwicklung
- 30
- Steuerstrom
- 32
- Steuerfluß
- 34a,b
- Flüsse
- 40, 42, 46, 48
- Arbeitswicklungen
- 50
- Steuerwicklung
- 52, 54
- Ringkern
- 56, 58
- Arbeitswicklungen
- 60
- Steuerwicklung
- 62
- Arbeitswicklung
- 63, 64, 65, 66
- Teilwicklungen