EP2495742B1

EP2495742B1 - Hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrossel

Info

Publication number: EP2495742B1
Application number: EP12000413.0A
Authority: EP
Inventors: Dietrich Erich Sekels; Stefan Becker
Original assignee: Sekels GmbH
Current assignee: Sekels GmbH
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: DE202011003256U1; EP2495742A1

Description

Die Erfindung betrifft eine hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrossel mit zumindest zwei um einen geschlossenen Kern gewickelten Spulen und mit die Spulen bildenden, in einer Filterschaltung geführten elektrischen Leitern zur Leitung von Strömen ab einhundert Ampere.
Solche hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrosseln werden bei Strömen ab einhundert Ampere benötigt und sind aus der Praxis beispielsweise bei Dieselhybrid-Antrieben bekannt. Der in sich geschlossene Kern kann dabei ringförmig gestaltet sein und bei Bedarf einen Luftspalt aufweisen.
Aus der Praxis ist eine hochstromfeste Funkentstördrossel bekannt geworden, bei der der Kern in zwei voneinander getrennte Abschnitte unterteilt ist. Auf jedem der Abschnitte ist eine einzige Spule angeordnet. Die Spulen erstrecken sich damit über weniger als die Hälfte des Umfangs des Kerns. Nachteilig bei der bekannten Funkentstördrossel ist jedoch, dass der Aufbau der Funkentstördrossel für eine ausreichende Dämpfung einen großen Platzbedarf erfordert. Die beschriebene Anordnung der Spulen ist unsymmetrisch und führt zu einer magnetischen Sättigung des Kerns, insbesondere bei hohen Stromstärken. Eine Vergrößerung des Kerns führt zu einem hohen Platzbedarf und damit zu hohen Materialkosten.
Aus der WO 2010/120877 A1 ist eine Funkentstördrossel für eine Datenkommunikation bekannt geworden. Die Wicklung der Spulen ist für die Vermeidung der Störung eines Nutzsignals optimiert.
Die EP 0 540 958 A1 offenbart eine Toroiddrossel, bei der mehrere Windungen aus mehreren Teilwindungen zusammengesetzt sind. Die Teilwindungen sind mit einem Verbindungselement in Kontakt, um benachbarte Teilwicklungen in Reihe oder mehrere Teilwicklungen parallel zu schalten.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Funkentstördrossel der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass sie auch bei hohen Stromstärken eine schnelle magnetische Sättigung des Kerns vermeidet und eine hohe Dämpfung und einen besonders geringen Platzbedarf aufweist. Weiterhin soll eine vorteilhafte Verwendung von zwei um einen geschlossenen Kern gewickelten Spulen gefunden werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kern aus einem hochpermeablen Werkstoff gefertigt ist, dass die Spulen über denselben Abschnitt des Umfangs des Kerns gewickelt und jeweils zum Anschluss an eine Störquelle und eine Störsenke vorgesehen sind und dass die elektrischen Leiter unterschiedlicher Spulen parallel und unverdrillt gewickelt sind.
Durch diese Gestaltung lässt sich zunächst der Umfang des Kerns für die Anordnung der Spulen weitgehend ausnutzen. Damit kann der Kern besonders kleine Abmessungen aufweisen. Die kleinen Abmessungen führen zu geringen Fertigungskosten. Die Wicklungen der Spulen lassen sich gleichmäßig über den gesamten Umfang des Kerns verteilt anordnen. Die Symmetrie der Wicklungen vermeidet eine partielle Sättigung des Kerns bei hohen Strömen. Dank der Erfindung lässt sich eine hohe Impedanz über die Frequenz bei Gleichstromanwendungen erreichen und damit eine Dämpfung im so genannten Common-Mode. Die erfindungsgemäße Funkentstördrossel ist besonders einfach aufgebaut, weil die elektrischen Leiter unterschiedlicher Spulen parallel gewickelt sind. Durch diese Gestaltung lassen sich die beiden elektrischen Leiter vor der Wicklung baulich zusammenfassen und gemeinsam um den Kern wickeln. Dies führt zudem zu einer weiteren Verringerung der Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel.
Die erfindungsgemäße Funkentstördrossel gestaltet sich besonders kompakt, wenn der Abschnitt des Kerns, über den beide Spulen gewickelt sind, mehr als der Hälfte des Gesamtumfangs des Kerns entspricht. Diese Gestaltung führt zudem zu besonders geringen Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel.
Eine besonders gleichmäßige Verteilung der Windungen der Spulen der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel lässt sich einfach erreichen, wenn der Abschnitt des Kerns, über den beide Spulen gewickelt sind, nahezu der Gesamtlänge des Kerns entspricht. Durch diese Gestaltung wird der Umfang des Kerns weitmöglichst zur Aufnahme der Spulen genutzt.
Ein besonders kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel lässt sich einfach erreichen, wenn die elektrischen Leiter in unterschiedlichen Lagen um den Kern gewickelt sind. Durch diese Gestaltung lässt sich im Vergleich zu einer einlagigen Wicklung in Abhängigkeit von der Anzahl der Lagen ein Vielfaches der Windungen der Leiter auf dem Kern anordnen.
Vorgesehene Dämpfungseigenschaften der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel lassen sich einfach einstellen, wenn die Spulen aus mehreren, parallel oder in Reihe geschalteten Teilspulen zusammengesetzt sind. Die Verschaltung der Teilspulen lässt vielfältige Möglichkeiten zu. Beispielsweise können die Leiter unterschiedlicher Teilspulen auf unterschiedlichen Lagen gewickelt sein. Alternativ dazu können die Leiter von Teilspulen unterschiedlicher Spulen parallel auf einer Lage gewickelt und die weiteren Teilspulen der unterschiedlichen Spulen auf einer anderen Lage.
Häufig entsteht im Betrieb der Funkentstördrossel Wärme, welche abgeführt werden muss. Man könnte die Funkentstördrossel in einem Luftstrom kühlen. Eine besonders hohe Kühlleistung lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erreichen, wenn die elektrischen Leiter als Hohlleiter ausgebildet sind. Durch diese Gestaltung lässt sich ein Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser oder Luft, durch die Hohlleiter fördern und damit die Wärme abtransportieren.
Die elektrischen Leiter werden gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in ihrer Lage zuverlässig gehalten, wenn die elektrischen Leiter massiv ausgebildet sind. Durch diese Gestaltung weisen die elektrischen Leiter eine hohe Eigenstabilität auf.
Die elektrischen Leiter sind gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders flexibel, wenn die elektrischen Leiter mehradrig gestaltet sind.
Ebenfalls betrifft die Erfindung die Verwendung von zwei um einen geschlossenen aus einem hochpermeablen Werkstoff gefertigten Kern gewickelten Spulen und mit die Spulen bildenden, in einer Filterschaltung geführten elektrischen Leitern, wobei die Spulen über denselben Abschnitt des Umfangs des Kerns gewickelt sind und die elektrischen Leiter unterschiedlicher Spulen parallel gewickelt sind, als eine hochstromfeste, stromkompensierte, für den Einsatz von Strömen ab einhundert Ampere ausgebildete Funkentstördrossel.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1: eine erfindungsgemäße, in einer Filterschaltung montierte Funkentstördrossel,
Fig. 2a: zwei elektrische Leiter der Funkentstördrossel aus Figur 1,
Fig. 2b: einen Abschnitt eines Kerns der Funkentstördrossel aus Figur 1, um den die elektrischen Leiter gewickelt sind, in gestreckter Darstellung,
Fig. 3: zwei verdrillte elektrische Leiter einer Funkentstördrossel nach dem Stand der Technik,
Fig. 4: eine weitere Ausführungsform der Funkentstördrossel,
Fig. 5: einen Abschnitt eines Kerns der Funkentstördrossel aus Figur 4, um den elektrische Leiter gewickelt sind, in gestreckter Darstellung,
Fig. 6: einen Abschnitt eines Kerns einer Funkentstördrossel mit einer Verschaltung mehrerer Lagen von elektrischen Leitern,
Fig. 7: eine gegenüber der Anordnung nach Figur 6 alternative Verschaltung mehrerer Lagen von elektrischen Leitern,
Fig. 8: eine graphische Darstellung des Verlaufs der Nenninduktivität über die Stromstärke der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel gegenüber einem Stand der Technik,
Fig. 9: eine graphische Darstellung des Verlaufs der Streuinduktivität über die Stromstärke der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel gegenüber einem Stand der Technik.

Figur 1 zeigt eine zwischen einer Störsenke 1 und einer Störquelle 2 geschaltete hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrossel 3. Die Funkentstördrossel 3 hat einen ringförmigen Kern 4, um den zwei elektrische Leiter a, b zweier Spulen 5, 6 gewickelt sind. Die elektrischen Leiter a, b führen von der Störsenke 1 zu der Störquelle 2. Ein Abschnitt 7, um den die Leiter a, b gewickelt sind, entspricht nahezu der gesamten Länge des Kerns 4.
Der Kern 4 ist in der dargestellten Ausführungsform ohne Luftspalt dargestellt. Selbstverständlich kann der Kern 4 auch einen Luftspalt aufweisen. Weiterhin kann der Kern 4 auch abweichend von der dargestellten ringförmigen Gestaltung rechteckig oder dergleichen gestaltet sein.
Figur 2a zeigt die elektrischen Leiter a, b, der Funkentstördrossel 3 aus Figur 1. Hierbei ist zu erkennen, dass diese parallel nebeneinander geführt sind. Figur 2b verdeutlicht in einer Draufsicht auf eine gestreckte Darstellung des Abschnitts 7, um den die Leiter a, b gewickelt sind, die parallele Wicklung der Leiter a, b.
Figur 3 zeigt eine Anordnung von elektrischen Leitern a, b zur Wicklung der Spulen 5, 6 der Funkentstördrossel 3 nach dem Stand der Technik. Hierbei ist zu erkennen, dass die Leiter a, b, verdrillt sind. Diese verdrillten Leiter a, b lassen sich um den Kern 4 der Funkentstördrossel 3 nach Figur 1 wickeln.
Figur 4 zeigt eine hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrossel 8 mit auf unterschiedlichen Lagen angeordneten elektrischen Leitern a, b. Die Leiter a, b sind für unterschiedliche Spulen 9, 10 auf verschiedenen Lagen und damit in verschiedenen Abständen um einen Kern 11 gewickelt. Die Leiter a, b sind wie bei der Ausführungsform nach Figur 1 über einen sich über die nahezu gesamte Länge des Kerns erstreckenden Abschnitt 12 gewickelt. Der Abstand der Lagen ist mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet.
Figur 5 zeigt den Kern 11 der Funkentstördrossel 8 aus Figur 4 in einer gestreckten Darstellung des Abschnitts 12, über den die elektrischen Leiter a, b gewickelt sind. Hierbei ist zu erkennen, dass der Leiter a der ersten Spule 9 direkt auf den Kern 11 gewickelt ist und der Leiter b der zweiten Spule 10 um die erste Spule 9 gewickelt ist. Damit bestimmt der Durchmesser der Leiter a der ersten Spule 9 in Verbindung mit einer nicht dargestellten Isolation der Leiter a, b den Abstand 13 der Lagen der Spulen 9, 10.
Figur 6 zeigt eine mehrlagige Verschaltung mehrerer, parallel geschalteter Teilspulen 14 - 17 von Spulen 18, 19 in einer gestreckten Darstellung eines Teilabschnitts eines Kerns 20 einer weiteren Ausführungsform einer Funkentstördrossel 21. Die einzelnen Leiter a - d der Teilspulen 14 - 17 sind jeweils auf einer Lage auf den Kern 20 gewickelt. Zur Verdeutlichung der Wicklung sind die einzelnen Leiter auf jeder Windung der Spulen gekennzeichnet.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Funkentstördrossel 22 mit einer mehrlagigen Verschaltung mehrerer, parallel geschalteter Teilspulen 23 - 26 von Spulen 27, 28 in einer gestreckten Darstellung eines Teilabschnitts eines Kerns 29. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach Figur 6 sind die einzelnen Leiter a - d über unterschiedliche Lagen gegenüber dem Kern 29 gewickelt und verschaltet.
Figur 8 zeigt den Verlauf der Nenninduktivität über die Stromstärke der Funkentstördrosseln 3, 8, 21, 22 aus den Figuren 1 bis 7 gegenüber einer Funkentstördrossel nach dem einem Stand der Technik, bei dem der Kern in zwei Abschnitte unterteilt ist und auf jedem der Abschnitte jeweils eine einzige Spule angeordnet ist. Weiterhin ist in Figur 9 der Verlauf der Streuinduktivität über die Stromstärke der Funkentstördrossel 3, 8, 21, 22 aus den Figuren 1 bis 7 gegenüber einem Stand der Technik dargestellt.
Die Verläufe der Funkentstördrossel 3, 8, 21, 22 aus den Figuren 1 bis 7 sind in den Figuren 8 und 9 mit LnUmf und der Verlauf der Nenninduktivität der Funkentstördrossel nach dem Stand der Technik ist mit LnSek gekennzeichnet. In Figur 8 ist zu erkennen, dass die Nenninduktivität bei der Funkentstördrossel nach dem Stand der Technik bei einer Stromstärke oberhalb von 400 Ampere sprunghaft abfällt.
Allgemein werden bei einer stromkompensierten Funkentstördrossel in den Kern induzierte B-Felder kompensiert. Ein großer Teil des entsprechenden H-Feldes der Wicklungen geht in die Polarisation des Kernmaterials ein. Ein kleiner Teil des H-Feldes schließt sich über den Streuanteil des magnetischen Kreises. In Verbindung mit dem unsymmetrischen Wicklungsaufbau bei der Funkentstördrossel nach dem Stand der Technik wird auch das Kernmaterial unsymmetrisch polarisiert. Bei geringen Stromstärken oder großvolumigen Kernen sind die Unsymmetrien nicht von Bedeutung. Jedoch führen diese Unsymmetrien zu partiell sehr unterschiedlichen Polarisationen des Kernmaterials und damit zu lokalen Sättigungen des Kernmaterials. Dieser Effekt tritt umso stärker auf, je höher permeabel das verwendete Kernmaterial ist. Die Geometrie des magnetischen Kreises ist dabei allein nicht aussschlaggebend, sondern die Art der Einkoppelung des H-Feldes der Wicklung in das Kernmaterial. Besonders bei hohen Strömen oberhalb 100 Ampere führen die Unsymmetrien zu partiellen Sättigungen des Kerns und damit dazu, dass die Dämpfung der stromkompensierten Funkentstördrossel beeinträchtigt wird. Dieser Effekt tritt zudem umso stärker auf, je höher die Permeabilität des magnetischen Kreises ist. Jedoch werden gerade bei stromkompensierten Funkentstördrosseln hochpermeable Werkstoffe eingesetzt, um mit geringen Windungszahlen und damit mit geringen Kupferverlusten die benötigten Impendanzen zu erreichen.
Der in den Figuren 1 bis 7 beschriebene Wicklungsaufbau der Funkentstördrosseln 3, 8, 21, 22 zeichnet sich dadurch aus, dass die Wicklungen gleichmäßig und damit streuarm über den Umfang des Kerns 4, 11, 20, 29 verteilt sind. Je stärker die Wicklungen symmetrisch bleiben, umso weiter kann die partielle Sättigung des Kerns 4, 11, 20, 29 bei hohen Strömen vermieden werden. Dabei sind die Isolationsanforderungen der elektrischen Leiter a - d bei dem Wicklungsaufbau zu beachten.
Die Grundlagen der Erfindung werden nachstehend näher erläutert. Die Wirkung der hochstromkompensierten Funkentstördrossel (HSKD) beruht auf der hohen Empfindlichkeit (Induktivität L_h) des weichmagnetischen Kreises auf kleine Differenzströme Δi. Die maximale Größe der noch zu dämpfenden Differenzströme Δi_gr wird bestimmt durch $Δ i_{gr} = \frac{B_{s \ddot{a} tt} * l_{Fr}}{μ_{0} μ_{r} * w} und L_{h} = μ_{0} μ_{r} * w^{2} * \frac{A_{k}}{l_{Fe}}$
Bei Hochstromanwendungen I_v ≥ 100 A) wird der Kern der SKD durch den Streufluss L_σ in die Sättigung getrieben und begrenzt dadurch die Stromhöhe I_zul. $L_{σ} = w^{2} * G_{σ} G_{σ} = \frac{φ_{ogr}}{I_{zul} * w} B_{s \ddot{a} tt} = \frac{φ_{ogr}}{A_{k}}$
$I_{zul} = \frac{B_{s \ddot{a} tt} = A_{k} * w}{L_{σ}}$
Eine Verminderung der Wicklungsstreuinduktivität erhöht den zulässigen Grenzstrom I_zul. $\frac{I_{zul}}{Δ i_{gr}} = \frac{L_{h}}{L_{σ}}$
Eine hohe Dämpfung der Differenzströme bei gleichzeitig hohen zulässigen Strömen kann nur durch eine kleine Wicklungsstreuinduktivität erreicht werden.

Claims

Hochstromfeste, stromkompensierte Funkentstördrossel (3, 8, 21, 22) mit zumindest zwei um einen geschlossenen Kern (4, 11, 20, 29) gewickelten Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) und mit die Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) bildenden, in einer Filterschaltung geführten elektrischen Leitern (a - d) zur Leitung von Strömen ab einhundert Ampere, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (4, 11, 20, 29) aus einem hochpermeablen Werkstoff gefertigt ist, dass die Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) über denselben Abschnitt (7, 12) des Umfangs des Kerns (4, 11, 20, 29) gewickelt und jeweils zum Anschluss an eine Störquelle (2) und eine Störsenke (1) vorgesehen sind und dass die elektrischen Leiter (a - d) unterschiedlicher Spulen (5, 6, 18, 19, 27, 28) parallel und unverdrillt gewickelt sind.
Funkentstördrossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (7, 12) des Kerns (4, 11, 20, 29), über den beide Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) gewickelt sind, mehr als der Hälfte des Gesamtumfangs des Kerns (4, 11, 20, 29) entspricht.
Funkentstördrossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (7, 12) des Kerns (4, 11, 20, 29), über den beide Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) gewickelt sind, nahezu der Gesamtlänge des Kerns (4, 11, 20, 29) entspricht.
Funkentstördrossel nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (a - d) in unterschiedlichen Lagen um den Kern (20, 29) gewickelt sind.
Funkentstördrossel nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (18, 19, 27, 28) aus mehreren, parallel oder in Reihe geschalteten Teilspulen (14 - 17, 23 - 26) zusammengesetzt sind.
Funkentstördrossel nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (a - d) als Hohlleiter ausgebildet sind.
Funkentstördrossel nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (a - d) massiv ausgebildet sind.
Funkentstördrossel nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (a - d) mehradrig gestaltet sind.
Verwendung von zwei um einen geschlossenen aus einem hochpermeablen Werkstoff gefertigten Kern (4, 11, 20, 29) gewickelten Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) und mit die Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) bildenden, in einer Filterschaltung geführten elektrischen Leitern (a - d), wobei die Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) über denselben Abschnitt des Umfangs des Kerns (4, 11, 20, 29) gewickelt sind und die elektrischen Leiter (a - d) unterschiedlicher Spulen (5, 6, 9, 10, 18, 19, 27, 28) parallel gewickelt sind, als eine hochstromfeste stromkompensierte, für den Einsatz von Strömen ab einhundert Ampere ausgebildete Funkentstördrossel (3, 8, 21, 22).