EP2956947B1 - Magnetisch vorgespannte drossel - Google Patents

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EP2956947B1
EP2956947B1 EP14725609.3A EP14725609A EP2956947B1 EP 2956947 B1 EP2956947 B1 EP 2956947B1 EP 14725609 A EP14725609 A EP 14725609A EP 2956947 B1 EP2956947 B1 EP 2956947B1
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EP
European Patent Office
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stack
segment
permanent magnet
magnetically biased
magnet segments
Prior art date
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Active
Application number
EP14725609.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2956947A1 (de
Inventor
Bruce Carsten
Christof Gulden
Stefan Herzog
Alexander Stadler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Original Assignee
Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
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Publication date
Application filed by Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH filed Critical Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Publication of EP2956947A1 publication Critical patent/EP2956947A1/de
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Publication of EP2956947B1 publication Critical patent/EP2956947B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/02—Cores, Yokes, or armatures made from sheets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/26—Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
    • H01F27/263—Fastening parts of the core together
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F2003/106—Magnetic circuits using combinations of different magnetic materials

Definitions

  • the invention relates to a magnetically biased throttle according to the features of the preamble of claim 1.
  • Such a throttle is z. B. off DE 10 2010 013 410 A1 known.
  • Inductors having a magnetic circuit of magnetically soft core material and a coil wound around a portion of the core material are well known in the art of electrical engineering. Frequently, the magnetic circuit also has a gap extending from a first end free end of the core material to an opposite second end free end of the core material.
  • Such inductors or inductors are used for example as a voltage regulator in the form of so-called Wegsetzstellern or boost converters.
  • An example of a so-called boost converter is in the introduction to the DE 198 16 485 A1 and the local FIG. 1 disclosed.
  • EP 1 211 700 A1 an inductive component with a so-called ETD core, in which a permanent magnet segment is inserted in the middle leg or a permanent magnet segment is inserted into the two outer limbs.
  • the DE 24 24 131 A1 describes a similar inductive component in which a segmented permanent magnet is inserted into the gap to minimize eddy current losses in the operation of this inductance.
  • the invention aims to provide a throttle, which is improved compared to the previously known throttles, in particular with regard to their current carrying capacity.
  • the invention thus consists essentially in providing a magnetically biased choke with at least two permanent magnet segments, between which a soft magnetic segment is arranged, wherein the stack has a stacking direction, which is directed from a first yoke to an opposite second yoke of the magnetic circuit and thus a Series arrangement of soft and hard magnetic stacking elements represents.
  • a soft magnetic segment for example, a ferrite segment may be provided. Furthermore, an amorphous, nanocrystalline or even bonded powder material can be used.
  • the current capability can be increased by introducing suitable permanent magnets into a plurality of gaps.
  • At least one insulator or an insulator segment is inserted into the stack of a plurality of soft magnetic segments.
  • the insulator may be, for example, air or an insulating component, namely an insulator segment.
  • insulator segment for example, a plastic segment, such as a plastic disc is suitable.
  • a permanent magnet segment is arranged between all mutually spaced soft magnetic segments.
  • the advantage of as many permanent magnet segments as possible is that, starting from a desired overall remanence of the arrangement, it is possible to use cost-effective magnets.
  • the material of the permanent magnet segments may be a magnetic material made of a rare earth compound, in particular SmCo, NdFeB, SmFeN or a hard ferrite material, in particular SrFe, BaFe or a mixture of these materials.
  • the soft magnetic segments and the permanent magnet segments and possibly the insulator segments have an identical outer contour and are stacked aligned with each other.
  • a circular or angular outer contour of the stack can be provided.
  • a cylindrical stack and, for example, a quadrangular outer contour would result in a square bar as a stack.
  • the magnetic circuit of the throttle according to the invention may be formed as ETD circuit, E-circle, UR-circle or as a shell core and have a single stack with wrapped coil.
  • FIG. 1 shows a first Au arrangementsbeispiel a throttle according to the present invention in side view and sectional view.
  • the throttle is designated by the reference numeral 1 and has a magnetic circuit 10 which is formed as an ETD circuit.
  • the magnetic circuit 10 has a lower, horizontally extending yoke 10a, connect at the left and right ends extending vertically upward yokes 10b and 10c. These two yokes 10b, 10c are connected at their upper end via another, transverse yoke 10d.
  • These yokes 10a, 10b, 10c and 10d are soft magnetic material.
  • a stack 20 of a plurality of soft magnetic segments 22 is placed such that the stack 20 is connected at its upper and lower ends to the lower yoke 10a and the upper yoke 10d.
  • an air gap, permanent magnet segment or an insulator segment can also be placed here.
  • the magnetic circuit 10 with its yokes 10a, 10b, 10c and 10d and the central stack 20 has the typical shape for an ETD structure.
  • a coil 50 is wound.
  • the stack 20 is in FIG. 2 in side view and in FIG. 3 again shown separately in plan view.
  • This stack 20 consists in the embodiment of six superimposed soft magnetic segments 22, which are each arranged at a distance from each other.
  • an air gap or an insulator segment 40 is located between the three uppermost soft-magnetic segments 22.
  • This insulator segment 40 may be, for example, a plastic segment or the like.
  • a permanent magnet segment 30 is placed in each case.
  • FIG. 2 shows an annular outer contour.
  • FIG. 3 shows an annular outer contour.
  • the individual components of the stack 20, so the soft magnetic segments 22, the insulator segments 40 and the permanent magnet segments 30 are fixedly mounted to each other, so in particular glued together.
  • the entire stack 20 is encased or encased in a suitable material.
  • a material for such encapsulation or enveloping offers a resin material, polyamide, polyurethane, polypropylene, epoxy or silicone.
  • This Umgie 7 or wrapping, for example, can be provided tubular, as it is in FIG.
  • Such a sleeve-shaped enclosure 60 has the advantage that the upper side of the uppermost soft-magnetic segment 22 and the underside of the lowermost soft-magnetic segment remain free in order to be able to lie directly against the yokes 10a and 10d mentioned in connection with FIG.
  • the enclosure 60 is in the Figures 2 and 3 with the reference numeral 60 tubular design.
  • the material of the soft magnetic segments 22 may be, for example, ferrite, amorphous material, nanocrystalline material or bonded powder material or in the form of iron sheets.
  • a rare earth compound magnetic material especially SmCo, NdFeB, SmFeN or a hard ferrite material, especially SrFe, BaFe or a mixture of these materials can be used.
  • each of the provided between the soft magnetic segments 22 column can be filled with a permanent magnet segment 30 readily.
  • FIGS. 4 . 5 . 6 and 7 show, readily possible to provide other forms of magnetic circuits 10.
  • FIG. 4 a magnetic circuit 10 in URR form.
  • the magnetic circuit 10 has only two mutually parallel yokes 10a and 10d and between these two yokes 10a, 10d two parallel stack 20 with soft magnetic segments 22 and intermediate permanent magnet segments 30 and in this embodiment, a single intermediate insulator segment 40.
  • both stacks 20 is, as in the previous embodiment of FIG. 1 already explained, each wound a coil 50.
  • These coils 50 are wound around the stack 20 so that the permanent magnet segments 30 and also the air gap 40 are wound by the coil 50.
  • FIG. 5 shows a third embodiment with a magnetic circuit 10 in E-shape.
  • the magnetic circuit 10 consists of a bottom transverse yoke 10a from which two yokes 10b, 10c extend upwardly away. Between these two legs 10b, 10c is the already known stack 20th
  • FIG. 6 shows a magnetic circuit 10 in a U-shape.
  • a transverse yoke 10a of the magnetic circuit 10 provided, sit on the end of the already known stack 20 and are each wrapped by a coil 50.
  • FIG. 7 shows a magnetic circuit 10 in UR form with a yoke 10a, which is transverse and has a rectangular cross-sectional contour. From this yoke 10a extends left also with rectangular cross-section, a yoke 10b in one piece upward. At the right end of the yoke 10a sits the already known stack 20 with its soft magnetic segments 22 and the permanent magnet segments 30 and an air gap 40th
  • FIG. 8 shows a throttle with a shell core, which has a circular yoke 10 with upper and lower lids and a centrally arranged stack 20 with permanent magnet segments 30 and soft magnetic segments 22.
  • FIG. 9 two almost identical magnetic circuits 10 are shown, similar to FIG. 1 wherein only the center stack 20 varies in number of permanent magnet segments 30 used.
  • the already known reference numerals stand for the same parts.
  • the magnetic circuits 10 of FIG. 8 at the points where between the soft magnetic segments 22 permanent magnet segments 30 are used, only arrows entered.
  • the soft magnetic segments 22 are directly adjacent to each other.
  • the stack 20 has a total of eight soft magnetic segments 22. Between each soft magnetic segments 22 is in each case a permanent magnet segment 30. The entire stack 20 is wound by a coil 50. In the presentation of FIG. 9 on the right, the stack 20 is also equipped with eight soft magnetic segments 22. However, only between the fourth and fifth soft magnetic segment 22 is a single permanent magnet segment 30, which is significantly thicker than the seven permanent magnet segments 30 of FIG FIG. 9 is left together. The entire stack 20 is in turn wrapped by a coil 50.
  • Such cantilevered fields are responsible for ensuring that a large gap between two soft magnetic segments 22 is effective has a larger cross-section. As a result, the magnetic resistance of the gap decreases, which is compensated by broadening the gap again.
  • Throttle shown to the right has a single gap, in which a permanent magnet segment 30 is used with a thickness of 5.0 mm and on this permanent magnet segment 30 above and below immediately adjacent a soft magnetic segment 22, this corresponds to a throttle, as in FIG. 9 is shown on the left with seven columns, in each of which a permanent magnet segment 30 is inserted, these need only have a thickness of 0.495 mm. If one adds these seven thicknesses of the permanent magnet segments 30, the result is indeed only a total gap or a total thickness of the individual permanent magnet segments 30 of 3.465 mm. However, these correspond to an effective thickness of 5.0 mm due to the losses discussed above to obtain the same initial inductance. The concrete conversion takes place with the aid of the known method of conformal mappings from the theory of functions.
  • FIG. 10 is the inductance curve of the two in FIG. 9 chokes recorded as a function of the current at the same initial inductance of approximately 100 uH.
  • the solid line corresponds to the one in FIG. 9 Throttle shown on the right with a thick permanent magnet segment 30, while the dashed line of the throttle in FIG. 9 corresponds to the left.
  • the in FIG. 9 chokes shown have a stack 20, with identical outer diameter, so shows FIG. 10 clearly that when using more than one permanent magnet segment 30, the inductance curve is shifted to the right.
  • FIG. 11 is a further embodiment of a throttle according to the invention shown.
  • This embodiment corresponds largely to the representation of a throttle of FIG. 1 ,
  • thirteen soft magnetic segments 22 are now provided in the stack 20, for example, the permanent magnet segments 30 inserted between these soft magnetic segments 22 being significantly narrower than the remaining components of the stack 20. This means that the soft magnetic segments 22 on the left and right in the sectional view of FIG FIG. 11 project beyond the permanent magnet segments 30.
  • each a narrower permanent magnet segment 30 is inserted.
  • These permanent magnet segments 30 are also significantly thinner than the soft magnetic segments 22 are formed.
  • These insulator segments 40 are in their outer contour equal to the outer contour of the soft magnetic segments 22, but may also be formed narrower than this or even wider than this if necessary.

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  • Power Engineering (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine magnetisch vorgespannte Drossel gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
  • Eine solche Drossel ist z. B. aus DE 10 2010 013 410 A1 bekannt.
  • Induktivitäten mit einem magnetischen Kreis aus magnetisch weichem Kernmaterial und einer um einen Teil des Kernmaterials gewickelten Spule sind in der gesamten Elektrotechnik hinlänglich bekannt. Häufig weist der magnetische Kreis hierbei auch einen Spalt auf, der sich von einem ersten stirnseitigen freien Ende des Kernmaterials zu einem gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen freien Ende des Kernmaterials erstreckt.
  • Darüber hinaus sind auch magnetische Kreise mit mehreren Spalten bekannt, in die Isolatoren eingesetzt sind. Ein Beispiel hierfür ist das europäische Patent EP 1 501 106 B1 der Anmelderin.
  • Solche Drosseln beziehungsweise Induktivitäten werden beispielsweise als Spannungsregler in Form von sogenannten Tiefsetzstellern oder Hochsetzstellern eingesetzt. Ein Beispiel für einen sogenannten Hochsetzsteller ist in der Beschreibungseinleitung der DE 198 16 485 A1 und der dortigen Figur 1 offenbart.
  • Diese DE 198 16 485 A1 zeigt weiterhin, die Induktivität negativ magnetisch vorzuspannen, indem der dort vorgesehene, einzige Spalt mit permanentmagnetischem Material teilweise befüllt wird, wobei allerdings das permanentmagnetische Material zu dem magnetischen Kreis jeweils stirnseitig beabstandet angeordnet ist. Durch das Einfügen des permanentmagnetischen Materials in den Spalt kann der eigentliche Arbeitsbereich der Induktivität verschoben werden, weil sich der mögliche magnetische Hub, das heißt die mögliche maximale Induktion, durch das Vorsehen eines permanentmagnetischen Materials im Spalt deutlich vergrößert.
  • Darüber hinaus beschreibt die EP 1 211 700 A1 ein induktives Bauteil mit sogenanntem ETD-Kern, bei welchem im mittleren Schenkel ein Permanentmagnetsegment oder in die beiden außenliegenden Schenkel jeweils ein Permanentmagnetsegment eingesetzt ist.
  • Die DE 24 24 131 A1 beschreibt ein ähnliches induktives Bauteil, bei welchem in den Spalt ein segmentierter Permanentmagnet eingesetzt ist, um Wirbelstromverluste im Betrieb dieser Induktivität zu minimieren.
  • Es ist demnach bekannt, zur Vermeidung von Sättigungserscheinungen in den magnetischen Kreis von Drosseln üblicherweise einen oder mehrere Luftspalte einzubringen. Dies bringt eine Linearisierung des Bauelementeverhaltens mit sich, führt jedoch gleichzeitig zu einer Reihe von Problemen. Ursache sind die magnetischen Streufelder, welche sich mit zunehmender Luftspaltgröße immer weiter in den Außenraum der Drossel erstrecken. Um dies zu vermeiden, wird der Luftspalt beziehungsweise mit Isolatormaterial gefüllte Spalt unterhalb der Drosselwicklung angeordnet, um elektromagnetische Wechselwirkungen mit elektronischen Baugruppen in der Umgebung zu vermeiden.
  • Des Weiteren ist es, wie erwähnt, bekannt, anstelle eines Luftspaltes beziehungsweise eines mit einem Isolator gefüllten Spaltes bei Drosseln einen magnetischen Kreis mit einer Vielzahl von Luftspalten beziehungsweise Spalten, die jeweils mit Isolatoren gefüllt sind, vorzusehen, um die Wicklungsverluste zu reduzieren.
  • Bei diesen Erkenntnissen setzt die vorliegende Erfindung an.
  • Die Erfindung hat das Ziel, eine Drossel bereitzustellen, die im Vergleich zu den bisher bekannten Drosseln insbesondere hinsichtlich ihrer Stromtragfähigkeit verbessert ist.
  • Dieses Ziel wird durch eine Drossel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Eine solche Drossel verfügt über folgende Merkmale:
    • ein magnetischer Kreis mit mindestens einem Stapel aus mehreren Weichmagnetsegmenten, von denen zumindest ein Teil zueinander beabstandet angeordnet ist,
    • eine Spule, die um den Stapel gewickelt ist,
    • in den Stapel sind mindestens zwei Permanentsegmente eingesetzt, und
    • zwischen den mindestens zwei Permanentmagnetsegmenten ist mindestens ein Weichmagnetsegment angeordnet und
      der Stapel weist eine Stapelrichtung auf, die von einem Joch zu einem gegenüberliegenden Joch des magnetischen Kreises gerichtet ist, und
    • der Stapel (20) ist mit einer rohrförmigen Umhüllung (60) versehen, derart, dass die Oberseite eines obersten Weichmagnetsegments (22) des Stapels (20) und die Unterseite eines untersten Weichmagnetsegments (22) des Stapels frei bleiben, um unmittelbar an Jochen (10a, 10d) des magnetischen Kreises (10) anzuliegen.
  • Die Erfindung besteht also im Wesentlichen darin, eine magnetisch vorgespannte Drossel mit mindestens zwei Permanentmagnetsegmenten vorzusehen, zwischen denen ein Weichmagnetsegment angeordnet ist, wobei der Stapel eine Stapelrichtung aufweist, die von einem ersten Joch zu einem gegenüberliegenden zweiten Joch des magnetischen Kreises gerichtet ist und damit eine Serien-Anordnung aus weich- und hartmagnetischen Stapelelementen darstellt.
  • Als Weichmagnetsegment kann beispielsweise ein Ferritsegment vorgesehen sein. Des weiteren kann ein amorphes, nanokristallines oder sogar gebundenes Pulvermaterial verwendet werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Drossel kann die Stromfähigkeit erhöht werden, indem in mehrere Spalte geeignete Permanentmagnete eingebracht werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist in den Stapel aus mehreren Weichmagnetsegmenten mindestens ein Isolator oder ein Isolatorsegment eingesetzt. Der Isolator kann beispielsweise Luft sein oder ein isolierendes Bauelement, nämlich ein Isolatorsegment. Als Isolatorsegment eignet sich beispielsweise ein Kunststoffsegment, wie zum Beispiel eine Kunststoffscheibe.
  • Es kann auch vorgesehen werden, dass zwischen allen zueinander beabstandeten Weichmagnetsegmenten jeweils ein Permanentmagnetsegment angeordnet ist. Der Vorteil möglichst vieler Permanentmagnetsegmente liegt darin, dass man ausgehend von einer gewünschten Gesamtremanenz der Anordnung kostengünstige Magnete einsetzen kann.
  • Es ist aber ohne Weiteres auch möglich, einen Spalt oder mehrere Spalte in dem Stapel lediglich mit einem Isolator oder Isolatorsegment aufzufüllen und nur in einem Teil der mehreren Spalte Permanentmagnete einzusetzen. Dann müssen allerdings, bei einer vorgegebenen Gesamtremanenz, Magnete mit entsprechend höherer Remanenz eingesetzt werden im Vergleich zu Stapeln, bei denen eine Vielzahl von Permanentmagnetsegmenten eingesetzt ist.
  • Erfindungsgemäß kann das Material der Permanentmagnetsegmente ein magnetisches Material aus einer Seltenerdverbindung, insbesondere SmCo, NdFeB, SmFeN oder ein Hart-Ferritmaterial, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien sein.
  • Aus Montage- und Handhabungsgründen bietet es sich an, dass die Weichmagnetsegmente und die Permanentmagnetsegmente und gegebenenfalls die Isolatorsegmente eine identische Außenkontur aufweisen und zueinander ausgerichtet gestapelt sind. Hierbei kann eine kreisförmige oder eckige Außenkontur des Stapels vorgesehen werden. Bei einer kreisförmigen Außenkontur würde sich ein zylinderförmiger Stapel und bei einer zum Beispiel viereckigen Außenkontur eine Vierkantstange als Stapel ergeben.
  • Der magnetische Kreis der erfindungsgemäßen Drossel kann als ETD-Kreis, E-Kreis, UR-Kreis oder als Schalenkern ausgebildet sein und einen einzigen Stapel mit umwickelter Spule aufweisen.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass anstelle von sogenannten einschenkligen Varianten von magnetischen Kreisen auch zweischenklige Drosseln vorgesehen werden. Hierfür bieten sich als magnetische Kreise sogenannte URR-Kreise, U-Kreise oder UR-Kreise an mit zwei nebeneinander angeordneten und jeweils von einer Spule umwickelten Stapeln, wie sie oben beschrieben worden sind.
  • Besonders günstig ist es für eine Montage der erfindungsgemäßen Drossel, wenn der Stapel aus Weichmagnetsegmenten und Permanentmagnetsegmenten und gegebenenfalls vorgesehenem Isolatorsegment beziehungsweise Isolatorsegmenten als vormontierte, handhabbare Einheit bereitgestellt ist.
  • Die einzelnen Bestandteile einer solchen vormontierten, handhabbaren Einheit sind miteinander feststehend verbunden, vorzugszweise verklebt, vergossen oder von einem geeigneten Material umhüllt.
  • Die erfindungsgemäße magnetisch vorgespannte Drossel wird nachfolgend im Zusammenhang mit mehreren Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung mit einem magnetischen Kreis in ETD-Form mit einem dort eingesetzten Stapel aus mehreren Weichmagnetsegmenten und Permanentmagnetsegmenten in Seitenansicht und Schnittdarstellung,
    Fig. 2
    den in Figur 1 eingesetzten Stapel als vormontierte, handhabbare Einheit in Seitenansicht,
    Fig. 3
    den Stapel der Figuren 1 und 2 in Draufsicht mit kreisrunder Außenkontur,
    Fig. 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung in URR-Anordnung mit zwei eingesetzten Stapeln aus Weichmagnetsegmenten und Permanentmagnetsegmenten in Seitenansicht und Schnittdarstellung,
    Fig. 5
    ein drittes Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung mit einem magnetischen Kreis in E-Form, dargestellt in Seitenansicht und Schnittdarstellung,
    Fig. 6
    ein viertes Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung mit einem magnetischen Kreis in U-Anordnung, dargestellt in Seitenansicht und Schnittdarstellung,
    Fig. 7
    ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung mit einem magnetischen Kreis in UR-Form mit einem einzig dort vorgesehenen Stapel,
    Fig. 8
    ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung mit einem Schalenkern in Seitenansicht und Schnittansicht,
    Fig. 9
    eine ähnliche Anordnung von Drosseln, wie sie in Figur 1 dargestellt sind, jedoch mit jeweils einem Stapel mit sieben übereinander angeordneten Weichmagnetsegmenten, zwischen die einmal sieben Permanentmagnete eingesetzt sind und einmal nur ein einziges allerdings dickeres Permanentmagnetsegment eingesetzt ist,
    Fig. 10
    das Ergebnis einer Simulation des Induktivitätsverlaufes bei den in Figur 9 gezeigten Drosseln als Funktion des Stromes, und
    Figur 11
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drossel ähnlich der Darstellung von Figur 1, allerdings mit Permanentmagnetsegmenten, die schmaler als die Weichmagnetsegmente sind.
  • In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • Figur 1 zeigt ein erstes Auführungsbeispiel einer Drossel nach der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht und Schnittdarstellung. Die Drossel ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und verfügt über einen magnetischen Kreis 10, welcher als ETD-Kreis ausgebildet ist. Hierfür verfügt der magnetische Kreis 10 über ein unteres, waagerecht verlaufendes Joch 10a, an dessen linken und rechten Ende sich vertikal nach oben wegerstreckende Joche 10b und 10c anschließen. Diese beiden Joche 10b, 10c sind an ihrem oberen Ende über ein weiteres, quer verlaufendes Joch 10d verbunden. Bei diesen Jochen 10a, 10b, 10c und 10d handelt es sich um weichmagnetisches Material. Mittig ist ein Stapel 20 aus mehreren Weichmagnetsegmenten 22 derart platziert, dass der Stapel 20 an seinem oberen und unteren Ende mit dem unteren Joch 10a und dem oberen Joch 10d in Verbindung ist. Es kann hier aber auch ein Luftspalt, Permanentmagnetsegment oder ein Isolatorsegment platziert sein.
  • Der magnetische Kreis 10 mit seinen Jochen 10a, 10b, 10c und 10d sowie dem mittigen Stapel 20 weist die für eine ETD-Struktur typische Form auf. Um den Stapel 20 ist eine Spule 50 gewickelt.
  • Der Stapel 20 ist in Figur 2 in Seitenansicht und in Figur 3 in Draufsicht nochmals separat dargestellt. Dieser Stapel 20 besteht im Ausführungsbeispiel aus sechs übereinander angeordneten Weichmagnetsegmenten 22, die jeweils zueinander beabstandet angeordnet sind. Zwischen den drei obersten Weichmagnetsegmenten 22 befindet sich jeweils ein Luftspalt oder ein Isolatorsegment 40. Dieses Isolatorsegment 40 kann beispielsweise ein Kunststoffsegment oder ähnliches sein. Zwischen dem - von oben gesehen - dritten und vierten sowie vierten und fünften sowie fünften und sechsten Weichmagnetsegment 22 ist jeweils ein Permanentmagnetsegment 30 platziert.
  • Die gesamte in Figur 2 dargestellte Anordnung des Stapels 20 ist zueinander fluchtend ausgerichtet und weist, wie Figur 3 zeigt, eine kreisringförmige Außenkontur auf. Es ist jedoch auch denkbar, hier eine eckige Kontur vorzusehen. Die einzelnen Bestandteile des Stapels 20, also die Weichmagnetsegmente 22, die Isolatorsegmente 40 sowie die Permanentmagnetsegmente 30 sind zueinander feststehend montiert, also insbesondere miteinander verklebt. Es ist doch auch ohne Weiteres möglich, dass der gesamte Stapel 20 von einem geeigneten Material umgossen ist beziehungsweise umhüllt. Als Material für ein solches Umgießen beziehungsweise Umhüllen bietet sich beispielsweise ein Harzmaterial, Polyamid, Polyurethan, Polypropylen, Epoxid oder auch Silikon an. Dieses Umgießen oder Umhüllen kann beispielsweise rohrförmig vorgesehen werden, so wie es in Figur 2 durch die strichpunktierte Linie und das Bezugszeichen 60 angedeutet ist. Eine solche hülsenförmige Umhüllung 60 hat den Vorteil, dass die Oberseite des obersten Weichmagnetsegmentes 22 und die Unterseite des untersten Weichmagnetsegmentes frei bleibt, um unmittelbar an den im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnten Jochen 10a und 10d anliegen zu können. Die Umhüllung 60 ist in den Figuren 2 und 3 mit dem Bezugszeichen 60 rohrförmig gestaltet.
  • Das Material der Weichmagnetsegmente 22 kann beispielsweise Ferrit, amorphes Material, nanokristallines Material oder gebundenes Pulvermaterial sein oder in Form von Eisenblechen vorliegen.
  • Als Material der Permanentmagnetsegmente 30 kann ein magnetisches Material aus einer Seltenerdverbindung, insbesondere SmCo, NdFeB, SmFeN oder ein Hart-Ferritmaterial, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien verwendet werden.
  • Wenngleich im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 davon die Rede war, dass lediglich drei Permanentmagnetsegmente 30 vorgesehen sind, kann ohne Weiteres jeder der zwischen den Weichmagnetsegmenten 22 vorgesehenen Spalte mit einem Permanentmagnetsegment 30 ausgefüllt sein.
  • Obwohl bisher lediglich von einem magnetischen Kreis 10 in ETD-Form die Rede war, ist es, wie die Figuren 4, 5, 6 und 7 zeigen, ohne Weiteres möglich, andere Formen von magnetischen Kreisen 10 vorzusehen.
  • So zeigt Figur 4 einen magnetischen Kreis 10 in URR-Form. Der magnetische Kreis 10 weist lediglich zwei zueinander parallel angeordnete Joche 10a und 10d auf und zwischen diesen beiden Jochen 10a, 10d zwei parallel zueinander liegende Stapel 20 mit Weichmagnetsegmenten 22 und dazwischen liegenden Permanentmagnetsegmenten 30 sowie in diesem Ausführungsbeispiel einem einzigen dazwischen liegenden Isolatorsegment 40. Um diese beiden Stapel 20 ist, wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel von Figur 1 bereits erläutert, jeweils eine Spule 50 gewickelt. Auch diese Spulen 50 sind so um den Stapel 20 gewickelt, dass die Permanentmagnetsegmente 30 und auch der Luftspalt 40 von der Spule 50 umwickelt sind.
  • Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem magnetischen Kreis 10 in E-Form. Der magnetische Kreis 10 besteht aus einem unten quer verlaufenden Joch 10a, von dem sich zwei Joche 10b, 10c nach oben weg erstrecken. Zwischen diesen beiden Schenkeln 10b, 10c liegt der bereits bekannte Stapel 20.
  • Figur 6 zeigt einen magnetischen Kreis 10 in U-Form. Hier ist lediglich ein quer laufendes Joch 10a des magnetischen Kreises 10 vorgesehen, an dem endseitig die bereits bekannten Stapel 20 aufsitzen und jeweils von einer Spule 50 umwickelt sind.
  • Das Ausführungsbeispiel von Figur 7 zeigt einen magnetischen Kreis 10 in UR-Form mit einem Joch 10a, das quer liegt und eine rechteckförmige Querschnittskontur hat. Von diesem Joch 10a erstreckt sich links ebenfalls mit rechteckförmigen Querschnitt ein Joch 10b nach oben einstückig weg. Am rechten Ende des Joches 10a sitzt der bereits bekannte Stapel 20 mit seinen Weichmagnetsegmenten 22 und dem Permanentmagnetsegmenten 30 sowie einem Luftspalt 40.
  • Das Ausführungsbeispiel von Figur 8 zeigt eine Drossel mit einem Schalenkern, der ein kreisrundes Joch 10 mit oberem und unterem Deckel und einem zentrisch angeordneten Stapel 20 mit Permanentmagnetsegmenten 30 und Weichmagnetsegmenten 22 aufweist.
  • Mit den Darstellungen von Figur 9 und Figur 10 wird der Einfluss der verwendeten Anzahl von Permanentmagnetsegmenten 30 auf den Induktivitätsverlauf der Drossel erläutert.
  • In Figur 9 sind zwei nahezu identisch aufgebaute magnetische Kreise 10 dargestellt, ähnlich zu Figur 1, wobei lediglich der in der Mitte befindliche Stapel 20 hinsichtlich seiner Anzahl von verwendeten Permanentmagnetsegmenten 30 variiert. Die bereits bekannten Bezugszeichen stehen für die gleichen Teile. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in die Anordnungen der magnetischen Kreise 10 von Figur 8 an den Stellen, wo zwischen die Weichmagnetsegmente 22 Permanentmagnetsegmente 30 eingesetzt sind, lediglich Pfeile eingetragen. An zwei sich gegenüberliegenden Weichmagnetsegmenten 22, wo kein Pfeil eingezeichnet ist, liegen die Weichmagnetsegmente 22 unmittelbar aufeinander.
  • Wie die Darstellung in Figur 9 links zeigt, hat der Stapel 20 insgesamt acht Weichmagnetsegmente 22. Zwischen allen Weichmagnetsegmenten 22 liegt jeweils ein Permanentmagnetsegment 30. Der gesamte Stapel 20 ist von einer Spule 50 umwickelt. In der Darstellung von Figur 9 rechts ist der Stapel 20 ebenfalls mit acht Weichmagnetsegmenten 22 ausgestattet. Allerdings liegt nur zwischen dem vierten und fünften Weichmagnetsegment 22 ein einziges Permanentmagnetsegment 30, das deutlich dicker als die sieben Permanentmagnetsegmente 30 von Figur 9 links zusammen ist. Der gesamte Stapel 20 ist wiederum von einer Spule 50 umwickelt.
  • Unterstellt man, dass die in Figur 9 gezeigten beiden Drosseln eine gleiche Anfangsinduktivität aufweisen sollen, so ist folgendes zu berücksichtigen. Befindet sich zwischen zwei Weichmagnetsegmenten 22 lediglich ein Permanentmagnetsegment 30, so kragen die magnetischen Felder, die im magnetischen Kreis 1 geführt werden, in die Spule 50 hinein. Je größer dabei der Abstand zwischen zwei Weichmagnetsegmenten 22 ist, also je dicker das dort eingelegte Permanentmagnetsegment 30 ist, desto weiter reichen diese Felder in die Spule 50 hinein. Dies führt bei hochfrequenten Strömen zu zusätzlichen Verlusten. Sind dagegen die sich gegenüberstehenden Weichmagnetsegmente 22 weniger weit beabstandet, also ist ein dünneres Permanentmagnetsegment 30 zwischen die beiden Weichmagnetsegmente 22 gelegt, kragen diese Felder nicht mehr so weit aus, sodass die Verluste im Vergleich geringer sind.
  • Solche auskragenden Felder sind dafür verantwortlich, dass ein großer Spalt zwischen zwei Weichmagnetsegmenten 22 effektiv einen größeren Querschnitt hat. Dadurch sinkt der magnetische Widerstand des Spaltes, was durch eine Verbreiterung des Spaltes wieder kompensiert wird.
  • Geht man davon aus, dass die in Figur 9 rechts dargestellte Drossel einen einzigen Spalt aufweist, in den ein Permanentmagnetsegment 30 mit einer Dicke von 5,0 mm eingesetzt ist und auf diesem Permanentmagnetsegment 30 oben und unten unmittelbar ein Weichmagnetsegment 22 angrenzt, so entspricht dies einer Drossel, wie sie in Figur 9 links gezeigt ist mit sieben Spalten, in die jeweils ein Permanentmagnetsegment 30 eingesetzt ist, wobei diese lediglich eine Dicke von 0,495 mm aufweisen müssen. Addiert man diese sieben Dicken der Permanentmagnetsegmente 30, so ergibt sich zwar lediglich ein Gesamtspalt beziehungsweise eine Gesamtdicke der einzelnen Permanentmagnetsegmente 30 von 3,465 mm. Diese entsprechen jedoch aufgrund der oben diskutierten Verluste einer effektiven Dicke von 5,0 mm, um die gleiche Anfangsinduktivität zu erhalten. Die konkrete Umrechnung erfolgt dabei mit Hilfe der bekannten Methode der konformen Abbildungen aus der Funktionenlehre.
  • Aus dieser Erkenntnis heraus wird klar, dass durch die Verwendung von mehreren dünnen Permanentmagnetsegmenten 30 im Vergleich zu einem dicken Permanentmagnetsegment 30 eine identische Anfangsinduktivität erreicht werden kann und trotzdem das Magnetvolumen reduziert ist.
  • Darüber hinaus ergibt sich ein weiterer Vorteil, der anhand von Figur 10 deutlich wird. In der Figur 10 ist der Induktivitätsverlauf der beiden in Figur 9 dargestellten Drosseln als Funktion des Stromes bei gleicher Anfangsinduktivität von annähernd 100 µH aufgezeichnet. Die durchgezogene Linie entspricht der in Figur 9 rechts dargestellten Drossel mit einem dicken Permanentmagnetsegment 30, während die strichlierte Linie der Drossel in Figur 9 links entspricht. Geht man davon aus, dass die in Figur 9 gezeigten Drosseln einen Stapel 20 aufweisen, mit identischem Außendurchmesser, so zeigt Figur 10 deutlich, dass bei der Verwendung von mehr als einem Permanentmagnetsegment 30 der Induktivitätsverlauf nach rechts verschoben wird. Somit kann in der Drossel mit den sieben Permanentmagnetsegmenten 30 bei gleicher Anfangsinduktivität mehr Strom geführt werden als in der Variante mit nur einem einzigen Permanentmagnetsegment 30.
  • Insgesamt ergeben sich bei der Verwendung von mehreren Permanentmagnetsegmenten 30 in dem Stapel 20 im Vergleich zur Verwendung nur eines einzelnen Permanentmagnetsegmentes 30 diverse Vorteile, nämlich, dass weniger Magnetmaterial verwendet werden muss, dass aufgrund der kleineren Spalte weniger Kupferverluste in der Spule 50 auftreten, eine höhere Sättigung einer solchen Drossel erzielt werden kann und schließlich, dass ein niedrigerer Proximity-Effekt auftritt.
  • In Figur 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drossel nach der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend der Darstellung einer Drossel von Figur 1. Allerdings sind in dem Stapel 20 jetzt insgesamt zum Beispiel dreizehn Weichmagnetsegmente 22 vorgesehen, wobei die zwischen diesen Weichmagnetsegmenten 22 eingesetzten Permanentmagnetsegmente 30 deutlich schmäler ausgebildet sind als die übrigen Komponenten des Stapels 20. Dies bedeutet, dass die Weichmagnetsegmente 22 links und rechts in der Schnittdarstellung von Figur 11 die Permanentmagnetsegmente 30 überragen.
  • Im konkreten Fall ist - von oben des Stapels 20 her gesehen - zwischen dem ersten und zweiten Weichmagnetsegment 22, zwischen dem achten und neunten Weichmagnetsegment 22 sowie zwischen dem zwölften und dreizehnten Weichmagnetsegment 22 jeweils ein schmäleres Permanentmagnetsegment 30 eingelegt. Diese Permanentmagnetsegmente 30 sind auch deutlich dünner als die Weichmagnetsegmente 22 ausgebildet. Zusätzlich ist in der in Figur 11 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, zwischen dem dritten und vierten Weichmagnetsegment 22 sowie zwischen dem zehnten und elften Weichmagnetsegment 22 ein Isolatorsegment 40 einzusetzen. Diese Isolatorsegmente 40 sind in ihrer Außenkontur gleich der Außenkontur der Weichmagnetsegmente 22, können jedoch im Bedarfsfall auch schmäler als diese oder auch breiter als diese ausgebildet sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Drossel
    10
    magnetischer Kreis
    10a, b, c, d
    Joch
    20
    Stapel
    22
    Weichmagnetsegment, insbesondere Ferritsegment
    22a
    erste Hauptfläche eines Ferritsegments
    22b
    zweite Hauptfläche eines Ferritsegments
    30
    Permanentmagnetsegment
    40
    Isolatorsegment, Isolator
    50
    Spule
    60
    Umhüllung
    A
    Außenkontur
    E
    handhabbare Einheit

Claims (14)

  1. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) mit folgenden Merkmalen :
    - ein magnetischer Kreis (10) mit mindestens einem Stapel (20) aus mehreren Weichmagnetsegmenten (22), von denen zumindest ein Teil zueinander beabstandet angeordnet ist,
    - eine Spule (50), die um den Stapel (20) gewickelt ist,
    - in den Stapel (20) sind mindestens zwei Permanentmagnetsegmente (30) eingesetzt,
    - zwischen den mindestens zwei Permanentmagnetsegmenten (30) ist mindestens ein Weichmagnetsegment (22) angeordnet,
    - der Stapel (20) weist eine Stapelrichtung auf, die von einem Joch (10a) zu einem anderen gegenüberliegenden Joch (lOd) des magnetischen Kreises (10) gerichtet ist, und
    - die Spule (50) weist eine Spulenachse auf, welche parallel zur Stapeleinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (20) mit einer rohrförmigen Umhüllung (60) versehen ist, derart, dass die Oberseite eines obersten Weichmagnetsegments (22) des Stapels (20) und die Unterseite eines untersten Weichmagnetsegments (22) des Stapels frei bleiben, um unmittelbar an Jochen (10a, 10d) des magnetischen Kreises (10) anzuliegen.
  2. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (60) eine Vergussmasse ist, durch die die einzel nen Bestandteile des Stapels (20) miteinander feststehend verbunden sind.
  3. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stapel (20) aus mehreren Weichmagnetsegmenten (22) mindestens ein Isolator oder ein Isolatorsegment (40) angeordnet ist.
  4. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen allen zueinander beabstandeten Weichmagnetsegmenten (22) jeweils ein Permanentmagnetsegment (30) angeordnet ist.
  5. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Permanentmagnetsegmente (30) ein magnetisches Material ist aus einer Seltenerdverbindung, insbesondere SmCo, NdFeB, SmFeN oder ein Hart- Ferritmaterial, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien.
  6. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmagnetsegmente (22) und Permanentmagnetsegmente (30) eine identische Außenkontur (A) aufweisen und zueinander ausgerichtet gestapelt sind.
  7. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmagnetsegmente (22) und Permanentmagnetsegmente (30) eine kreisförmige oder eckige Außenkontur (A) aufweisen.
  8. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis (10) als ETD-Kreis, E-Kreis, UR-Kreis oder Schalenkern ausgebildet ist und einen einzigen Stapel (20) mit umwickelter Spule (50) aufweist.
  9. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis (10) als URR-Kreis, U-Kreis oder
    UR-Kreis ausgebildet ist mit zwei nebeneinander angeordneten und jeweils von einer Spule (50) umwickelten Stapeln (20).
  10. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (20) aus Weichmagnetsegmenten (22) und Permanentmagnetsegmenten (30) und ggfs. vorgesehenem Isolatorsegment (40) als vormontierte, handhabbare Einheit (E) bereitgestellt ist.
  11. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bestandteile des Stapels (20) miteinander feststehend verbunden sind, vorzugsweise verklebt, vergossen oder verhüllt.
  12. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Weichmagnetsegment (22) ein Ferritsegment ist.
  13. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Weichmagnetsegment (22) ein amorphes, nanokristallines oder ein gebundenes Pulvermaterial ist.
  14. Magnetisch vorgespannte Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Permanentmagnetsegmente (30) von den Weichmagnetsegmenten (22) seitlich überragt werden.
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