EP2562772A2

EP2562772A2 - Induktives Bauteil

Info

Publication number: EP2562772A2
Application number: EP12180660A
Authority: EP
Inventors: Günther Kneidinger
Original assignee: InTiCA Systems AG
Current assignee: InTiCA Systems AG
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2013-02-27
Also published as: DE202011051056U1; EP2562772A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil mit wenigstens zwei durch einen magnetischen Kreis miteinander gekoppelten Drosselspulen, die in einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass der gemeinsame Kern wenigstens ein die Kopplung zwischen den Wicklungen (2, 6) der Drosselspulen veränderbares Kernzwischenelement (4, 10) aufweist. Dieser kann auswechselbar in dem Kern angebracht sein und von jeweils einem Kernschenkel (3, 9) in Richtung auf einen eine Wicklung (2, 6) tragenden Mittelschenkel (11, 7) abstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Automobil- und Energietechnik übernimmt die Leistungselektronik immer mehr eine tragende Rolle. Insbesondere hat sich im Bereich der Wechselrichter für Photovoltaikanlagen in den letzten Jahren ein stetig wachsender Markt entwickelt. Aber nicht nur die stationäre Anwendung bei der Energieerzeugung, sondern auch der mobile Einsatz der elektronischen Strom- und Spannungswandlung wird sich in den nächsten Jahren weiter vergrößern. Maßgeblich ist hier die Entwicklung einer neuer Hybridgeneration und alltagstauglicher Elektrofahrzeuge zu nennen.
Unabhängig von ihrer Verwendung sind Induktivitäten für die Leistungselektronik ein unverzichtbarer Bestandteil, ohne den beispielsweise eine DC-DC-Wandlung im höheren Leistungsbereich nur schwer vorstellbar ist. Zur Anwendung kommen vor allem Hochfrequenztransformatoren sowie Speicher- und Filterdrosseln.
Im Wesentlichen muss bei der Dimensionierung solcher Induktivitäten immer eine optimale Lösung zwischen verfügbarem Bauraum, vorgegebener elektrischer Daten und möglichst geringen Verlusten gefunden werden. In der Automobiltechnik ist zudem ein geringes Gewicht bei ansonsten gleichen Leistungsdaten von Vorteil.
Die Erfindung geht aus von einem E-förmigen Kern, bei dem beispielsweise zwei sekundäre Drosseln eines Vollbrückenwandlers mit Stromverdoppler vereint sind, was den Vorteil hat, dass nicht, wie bisher, zwei separate Drosseln benötigt werden. Damit wird nicht nur der Bauraum verkleinert, sondern auch das Gewicht verringert, was zudem die Kosten reduziert. Durch die Vereinigung zweier Drosseln ist es allerdings notwendig, eine entsprechende Streuinduktivität zu realisieren, was mit einem einfachen E-Kern auf Schwierigkeiten stößt, da hier ohne größere Verschachtelungen der Wicklungen bereits Kopplungsfaktoren von mehr als 0,9 erreicht werden. Dieser Wert kann durch einen entsprechenden Wicklungsaufbau vergrößert werden. Wenn dagegen geringere Kopplungen von z. B. 0,8 benötigt werden, wird es schwierig, dies mit einem einfachen E-Kern zu realisieren.
Gegenstand der DE 22 26 289 A1 ist ein vormagnetisierter Magnetkern, was die Verwendung eines Permanentmagneten voraussetzt. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 3C und 3D werden zur Erhöhung der Sättigung in der Nähe eines Luftspaltes dauermagnetische Plättchen eingesetzt.
Aus US 2011/0140817 ist eine supraleitende Spule bekannt, welche die Verwendung von supraleitendem Material voraussetzt. Die im Beispiel der Figur 5B dargestellten Ferritplatten dienen dazu, das Magnetfeld präziser zu leiten; sie sollen dabei vermeiden, dass der magnetische Fluss das Material der Wicklungen durchsetzt und somit eine Reduzierung der Funktion bei kritischen Strömen unterdrückt wird, was zudem die Verluste reduziert.
In DE 24 24 131 A1 ist eine Drossel beschrieben und dargestellt, welche in einem Teil ihres magnetischen Kreises zur Verwendung einer Sättigungsmagnetisierung einen Permanentmagneten enthält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauteil zur Verfügung zu stellen, bei dem es möglich ist, die Kopplung zwischen zwei oder mehr Wicklungen zu verändern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem induktiven Bauteil nach der Erfindung sind zwei oder mehr Wicklungen einer Drossel durch einen magnetischen Kreis miteinander gekoppelt, wobei der magnetische Fluß durch eingefügte, vorzugsweise plattenförmige Kernzwischenelemente gesteuert und je nach Anwendungsfall die Kopplung angepaßt werden kann. Dazu muss nicht zwangsläufig eine starre E-Kernform vorliegen. Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäß vorgesehene Technologie der Kernzwischenelemente auch bei einer anderen Kerngeometrie einsetzen, etwa bei EC-, EFD-, EP-, EQ-, ER- oder EFD-Kernen.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Diese zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Drossel mit E-Kern und zwei Wicklungen.
Die Drossel hat zwei Kernjoche 1, 5, die zwei Kernschenkel 3, 9 miteinander verbinden und zwei Mittelschenkel 11, 7 mit jeweils einer Wicklung 2, 6 tragen. Die beiden Mittelschenkel 11, 7 sind hier durch einen Luftspalt 8 voneinander getrennt. Die beiden Wicklungen 2, 6 werden von einem elektrischen Strom durchflossen und erzeugen somit einen magnetischen Fluss, der die zwei Mittelschenkel 7, 11 durchsetzt. Über die beiden Kernschenkel 3, 9 und Kernjoche 1, 5 wird der magnetische Kreis geschlossen. Dadurch teilt sich die Flussdichte des Mittelschenkels jeweils zur Hälfte auf die im Querschnitt ca. halb so großen Kernschenkel und Kernjoche auf.
Aufgrund eines bei den meisten Anwendungsfällen geforderten Sättigungsverhaltens wird ein Luftspalt 8 benötigt. Dieser garantiert, dass der Induktivitätswert von z. B. 10 µH auch bei einem höheren Betriebsstrom von z. B. 50 A zur Verfügung steht und nicht auf etwa 1 µH sinkt. Die Induktivität einer Drossel mit Ferritkern fällt an der Sättigungsgrenze, selbst bei einer im Verhältnis nur kleinen Stromänderung, sehr rapide ab. Dies kann im schlimmsten Fall die Halbleiter der Schaltung zerstören. Deswegen sollte die Drossel in keinem Betriebsfall diese Grenze überschreiten.
Gemäß der Erfindung sind in die Drossel zwei plattenförmige Kernzwischenelemente 4, 10 eingesetzt, die an dem jeweiligem Kernschenkel 3, 9 angebracht und parallel zu den Kernjochen 1, 5 in Richtung auf den Luftspalt 8 vorstehen. Die Kernzwischenelemente 4, 10 bestehen aus demselben Material wie der übrige Teil des Kerns, der vorzugsweise als weichmagnetischer Ferritkern ausgebildet ist, während als Leitermaterial für die Wicklungen 2, 6 der Drosselspulen Kupfer verwendet wird.
An ihren freien Enden hat jede Zwischenplatte 4, 10 eine teilkreisförmige Aussparung, die an den Radius der beiden Mittelschenkel 7, 11 angepasst ist. Bei anders ausgebildeten Mittelschenkeln hat die Aussparung eine an diese angepasste Form.
Die Kernzwischenelemente 4, 10 dienen dazu, den magnetischen Fluß gezielt zu leiten. Dadurch entsteht ein Streufluss, der aber im Gegensatz zum Hauptfluss zum größten Teil jeweils nur eine Wicklung durchsetzt.
Die Kopplung der beiden Wicklungen 2, 6 kann durch die Formel $k = ½ (L_{g} - L_{1} - L_{2}) . {(L_{1} L_{2})}^{- 1 / 2}$

berechnet werden. Dabei beschreibt Lg die Gesamtinduktivität, wenn beide Wicklungen in Reihe geschaltet sind, und L₁ sowie L₂ die Induktivität der einzeln gemessenen Wicklungen 2, 6. Zudem kann auch über die Streuinduktivität das Ausmaß der Kopplung bewertet werden. Hierzu muss eine Wicklung kurz geschlossen und bei der anderen die Induktivität gemessen werden. Je höher diese Streuinduktivität ist, desto schlechter sind die beiden Wicklungen gekoppelt.
Die Kernzwischenelemente 4, 10 ermöglichen durch Variieren der Abstände zu dem Mittelschenkel 7, 11 den Wert der Streuinduktivität gezielt zu beeinflussen und damit die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen zu steuern.

Claims

Induktives Bauteil mit wenigstens zwei durch einen magnetischen Kreis miteinander gekoppelten Drosselspulen, die in einem gemeinsamen Kern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Kern wenigstens ein die Kopplung zwischen den Wicklungen (2, 6) der Drosselspulen veränderbares Kernzwischenelement (4, 10) aufweist.
Induktives Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernzwischenelemente (4, 10) auswechselbar in dem Kern angebracht sind.
Induktives Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernzwischenelemente (4, 10) und der Kern aus demselben Material, vorzugsweise Ferrit bestehen.
Induktives Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2, 6) der Drosselspulen aus Kupfer bestehen.
Induktives Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernzwischenelemente (4, 10) von jeweils einem Kernschenkel (3, 9) in Richtung auf einen eine Wicklung (2, 6) tragenden Mittelschenkel (11, 7) abstehen.
Induktives Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernzwischenelemente (4, 10) im Bereich eines Luftspaltes (8) zwischen zwei Mittelschenkeln (11, 7) liegen.
Induktives Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschenkel (11, 7) von einem die Kernschenkel (3, 9) verbindenen Kernjoch (1, 5) abstehen.
Induktives Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernzwischenelemente (4, 10) plattenförmig ausgebildet sind.
Induktives Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Kernzwischenelemente (4, 10) an ihrem freien Ende eine an den Querschnitt der Mittelschenkel (11, 7) angepasste Aussparung haben.