EP4377977B1 - Steuerbare drosselspule und verfahren zur begrenzung eines elektrischen stroms - Google Patents

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EP4377977B1
EP4377977B1 EP22757881.2A EP22757881A EP4377977B1 EP 4377977 B1 EP4377977 B1 EP 4377977B1 EP 22757881 A EP22757881 A EP 22757881A EP 4377977 B1 EP4377977 B1 EP 4377977B1
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EP
European Patent Office
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coil core
coil
choke
current
boreholes
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EP4377977C0 (de
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Florian FENSKE
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias

Definitions

  • the present invention relates to a controllable choke coil and a method based thereon for limiting an electric current.
  • Chokes are used as current limiters in the power supply of electrical or electronic devices, in power electronics, and in low- and high-frequency technology. For example, they function as actuators in the power grid, for filtering, as surge protection, in reactive power compensation devices, as energy storage devices, or for load flow control.
  • Choke coils comprise at least one choke winding and a coil core, usually made of a magnetic material, in particular a soft magnetic material, which is available in solid or laminated form, for example in the form of sintered ferrites or electrical steel.
  • the inductance of choke coils is largely determined by the design of the magnetic circuit, and it is known in the prior art to vary the inductance of a choke coil by deliberately changing the length of an air gap in the coil core.
  • Figure 1a shows a schematic cross-sectional view of such a choke coil 1a with a choke winding 2 and a magnetic coil core 3 with an air gap 30, the gap width ⁇ of which can be varied by means of displacement of a movable coil core segment.
  • Figure 1b shows the corresponding characteristic curves of the choke coil as a function of the gap width ⁇ , namely the flux linkage ⁇ , i.e. the total magnetic flux through the choke coil, and the inductance L as a function of the current I through the choke winding (each in arbitrary units).
  • the ⁇ -I characteristic curves have a linear course up to saturation of the magnetization of the coil core, whereby the variation of the gap width ⁇ leads to a symmetrical tilting of the characteristic curves.
  • This corresponds to an inductance L that is constant over the entire operating range of the choke coil, which can be monotonically reduced by increasing the gap width ⁇ . From a control engineering point of view, such controllability of the inductance of a choke coil is extremely desirable.
  • a disadvantage of the concept presented is the slow switching times of the choke coil caused by the mechanical displacement of the coil core segment, which are typically in the range of seconds.
  • the slidably mounted coil core segment is also a wear part, particularly due to the vibrations caused by electromechanical forces that occur in typical application environments. This susceptibility to wear limits the service life of the choke coil and also creates a risk of failure.
  • FIG. 2a shows a schematic cross-sectional view of a corresponding choke coil 1b and Figure 2b the corresponding ⁇ -I and LI characteristics.
  • the virtual air gap concept is based on an adjustable premagnetization of the coil core 3 by means of an energizable control winding, which extends through the two holes 4 in the coil core 3.
  • the holes 4 run perpendicular to the main magnetic flux direction of the respective segment of the coil core 3.
  • a control current Is a magnetic flux is introduced around the holes 4 in the coil core 3. which is schematically represented by the dashed or dash-dotted flux lines.
  • the control current Is can thus be used to influence the flux linkage characteristic ⁇ (I, Is) and the inductance L(I, Is) of the choke coil.
  • the variation in inductance is also highly dependent on the respective operating point of the choke coil, i.e., it is not possible to set a constant inductance across the entire operating range of the choke coil, which is unsatisfactory from a control engineering perspective.
  • the control current Is contains, in addition to the direct current, an alternating current component, which consists of a spectrum of harmonics related to the inductor current I.
  • the spectrum of the alternating current component must be determined by the control in terms of amplitude and phase shift to the inductor current I and provided by the current source of the control current Is.
  • the determination of the harmonic spectrum by the control is not trivial, and the associated current source of the control current Is has a complex structure. The method is therefore disadvantageously complex and prone to errors.
  • the invention is based on the idea of making a practical modification of the virtual air gap concept, which affects the number of holes for accommodating the control winding and their arrangement relative to one another or relative to the coil core. This enables the setting of more complex premagnetization patterns in the coil core, the usefulness of which for the controllability of the choke coil will be demonstrated in detail later.
  • the inventive concept makes it possible to vary the inductance of the choke coil across its entire operating range essentially monotonically and approximately linearly using the control current, in particular using a direct current.
  • FIGS. 3a to 3c show schematic views of a section of a coil core 3, through which one or two bores 4 extend.
  • the coil core 3 has a longitudinal direction of extent Z, which corresponds to the local main magnetic flux direction, and a transverse plane of extent orthogonal to the longitudinal direction of extent Z, which is spanned by the first transverse direction of extent X and the second transverse direction of extent Y.
  • the bores 4 extend essentially along the second transverse direction of extent Y, with at most one bore 4 extending in each transverse plane of extent.
  • the distance x1 of a bore 4 to an outer edge of the coil core 3 in the first transverse direction of extent X is greater than a distance x2 or a distance z1 of the bore 4 to another edge of the coil core 3 ( Figures 3a and 3b ), the following criterion is not part of the invention: the distance x1 is greater than half the distance d4 to another bore 4 ( Figure 3c ).
  • any outer edge of the coil core forms the reference distance (x1) for assessing the relative arrangement of the considered bore; rather, according to the invention, only the distance to one of the two nearest outer edges of the coil core in the first transverse direction is relevant. In other words, only the dimensions of that segment of the coil core in which the considered bore is arranged are important.
  • the inventive arrangement of the bores always aims to create a geometric bottleneck for the magnetic flux introduced by the control winding, and in this context, only the distances of the bore to the nearest outer edges of the coil core are relevant. The distances to the nearest outer edges determine the resulting magnetization distribution around the energized control winding bore, and the influence of the other dimensional and geometric design of the coil core is negligible in comparison.
  • the magnetic main flux direction is to be understood as the local main flux direction in a respective coil core segment, such as Figure 4 illustrated.
  • a respective coil core segment such as Figure 4 illustrated.
  • the longitudinal extension direction Z', Z", Z′′′ and the transverse extension directions X', X", X′′′ and Y', Y", Y′′′ are also oriented differently locally within the meaning of the present application, wherein the inventive regulations regarding the arrangement of the bores relate to the respectively locally valid coordinate system X, Y, Z of the respective coil core segment.
  • Figures 5a to 5c schematic views of a coil core 3 with alternative bores 4, which are not arranged according to the invention, through which the control winding 5 runs, which in the case of the Figure 5a each hole 4 passes through only once and in the case of Figures 5b and 5c runs multiple times through each bore 4.
  • a higher control current is generated by the control current, or a lower control current is required to generate an identical control current.
  • different winding concepts of the control winding can be used to expediently influence the premagnetization of the coil core.
  • the Figures 6, 7 , 8 and 9a Simulated distributions of the magnetic flux density in soft magnetic coil cores 3 are shown as field line images, which result when the control winding is energized under different arrangements of the holes 4.
  • the left-hand sub-image shows a schematic representation of the underlying model, i.e. the position of the holes 4 in the coil core 3, whereby the position is varied systematically in each case, on which the distributions of the magnetic flux density shown in the other sub-images are based.
  • the simulation is based on a fixed control magnetic flux through the holes 4, whereby the choke winding of the associated choke coil is de-energized in each case.
  • the sign of the control magnetic flux of each hole 4 is represented by a dot or cross symbol.
  • This exclusively central arrangement of the holes 4 corresponds to the state-of-the-art virtual air gap concept and results in characteristic curves that correspond to the representations of the Figure 2b correspond. If the bores 4 are shifted in the first transverse direction X, i.e., if the ratio x2/x1 is reduced, an asymmetrical distribution of magnetic flux density and pre-magnetization of the coil core 3 is formed in the transverse planes XY. With these off-center arrangements of the bores 4, it is practically impossible to generate complete saturation of the pre-magnetization in the entire transverse plane of the respective bore 4 using the control current, since due to the source-free nature of the magnetic flux density, the bottleneck defined by the distance x2 limits the magnetic flux.
  • Figure 8 shows the distribution of the magnetic flux density in the coil core 3 when varying the distance ratio x2/x1 of the holes 4 to the outer edges of the coil core 3 in the first transverse direction X, wherein the holes 4 are offset in opposite directions and have a control flux in the same direction.
  • Similar flux distributions result in the transverse planes of the bores 4, whereas the area between the bores 4 is differently premagnetized due to the differences in the orientation of the control magnetic flux.
  • Figure 9a shows the distributions of the magnetic flux density in the coil core 3 while varying the distance d4 in the longitudinal direction Z between the two oppositely flowing bores 4.
  • the coil core 3 is first converted into a state of completely saturated premagnetization there, which again results in a limitation of the magnetic flux in the respective transverse planes XY of the bores 4, so that essentially no complete saturation of the premagnetization can be generated there by means of the control current.
  • Figure 9b shows the simulations of the Figure 9a corresponding characteristics of the magnetic flux ⁇ (in units of the saturation flux ⁇ sat) in the coil core as a function of a magnetic voltage V generated by energizing the choke winding at a constant control magnetic flux ⁇ s of the control winding while varying the d4/x1 ratio according to the Representation of the Figure 9a .
  • the characteristic curve ⁇ (V) corresponds to a conventional coil with a soft magnetic core.
  • the characteristic curves ⁇ (V) exhibit characteristic plateaus which reflect magnetization reversal processes of the pre-magnetization due to the applied magnetic voltage V.
  • the pre-magnetization is of varying degrees, so that the position of the plateaus in the ⁇ (V) characteristic curves varies.
  • Figure 10a This is shown by Figure 10a , in which the results of a simulation of the distribution of the magnetic flux density and the resulting ⁇ (V) characteristic curve are shown based on a coil core 3 with three pairs of bores 4, wherein the pairs have different distances d4 in the longitudinal direction Z between the associated bores 4.
  • ⁇ (V) characteristic curves when a control current Is is applied as a direct current, a plurality of steps are shown corresponding to the magnetization reversal processes around the individual bores 4, and when the control current Is is increased, a tilting of the characteristic curves results.
  • a particular advantage of the invention is that only a direct current is required as the control current Is for the aforementioned control of the inductance of the choke coil, i.e., the complex structure according to the prior art for generating an adapted alternating current as the control current can be dispensed with.
  • the coil core of the choke coil according to the invention has at least one air gap extending in a transverse plane of the coil core, with the air gap forming a boundary of the coil core.
  • the provision of air gaps serves to "statically" influence the inductance of the choke coil.
  • the coil core has, for example, a plurality of pairs of bores, wherein the pairs have different distances between the associated bores.
  • the bores can, for example, have different distances from an outer edge of the coil core in the first transverse direction. This creates differently dimensioned constrictions for the magnetic flux in the transverse planes of the bores, resulting in the desired quasi-linearization of the characteristics of the magnetic flux as a function of the magnetic voltage.
  • At least one of the holes can be designed as an elongated hole.
  • An elongated hole can accommodate a larger number of turns of the control winding, allowing for a higher control current flow.
  • the coil core has a plurality of cuboid-shaped coil core segments which are separated from one another by air gaps, wherein each coil core segment has a bore and wherein the coil core segments have different dimensions in the longitudinal direction relative to the dimension in the first transverse direction.
  • the choke coil according to the invention is designed to be multi-phase, wherein the choke coil comprises a plurality of choke windings and a plurality of associated coil core legs, wherein the choke windings are each provided for one phase of a multi-phase alternating current.
  • the choke coil according to the invention comprises a direct current source and an associated control, by means of which the control current can be introduced into the control winding to generate a desired premagnetization in the coil core.
  • the invention further relates to a method for limiting an electric current by means of a controllable choke coil according to the invention, wherein the current to be limited is introduced into the choke winding and wherein a control current is introduced into the control winding, which generates a bias in the coil core of the choke coil that is suitable for the desired current limitation.
  • the control current is generated, for example, by a direct current source.
  • the current to be limited is embodied as a pulsed direct current, which, after passing through the choke winding, passes through the control winding, thereby forming the control current.
  • the pulsed direct current has a direct current and an alternating current component, with the alternating current component preferably being significantly smaller than the direct current component, for example, being one-third of the direct current component.
  • the inductance of the choke coil is therefore determined by the current to be limited.
  • the DC component and the AC component of the mixed current can be separated from one another within the scope of the method according to the invention, with the DC component forming the control current.
  • the separation into DC and AC components can be achieved, for example, by means of a choke winding comprising two parallel windings, one of which is formed from a stranded wire bundle and the other from a low-resistance solid wire or another solid conductor, e.g., with a rectangular profile, so that the AC component passes through the stranded wire bundle and the DC component passes through the solid conductor, with the DC component subsequently passing through the control winding as the control current.
  • Figure 11 shows a choke coil 100 with a coil core 3, which comprises two U-shaped coil core segments 3U, which are separated from one another by an air gap 30, wherein the bores 4 are introduced into both coil core segments 3U.
  • bores could be introduced into only one of the coil core segments 3U.
  • the bores 4 form pairs, wherein the pairs have different distances between the associated bores 4.
  • the choke winding 2 rotates around the coil core 3 in sections, wherein the choke winding 2 comprises, for example, two winding sections, which can be connected either in parallel or in series.
  • Figure 12 shows a choke coil 100, the coil core 3 of which comprises two E-shaped coil core segments 3E, which are separated from each other by an air gap 30, wherein the bores 4 are provided in both Coil core segments 3E are inserted.
  • holes could be inserted into only one of the coil core segments 3E.
  • One of the holes 4 is designed as an elongated hole, which allows for a higher control current flow.
  • the coil core can also be designed as a shell core with only one air gap in the middle or air gaps only in the outer legs.
  • Figure 13 shows a choke coil 100, the coil core 3 of which comprises four I-shaped coil core segments 3I, which are separated from one another in a rectangular arrangement by air gaps 30, wherein the bores 4 are introduced here, for example, into two of the coil core segments 3I.
  • the bores 4 are grouped in pairs, wherein the pairs have different distances between the bores 4 and wherein the bores 4 have different distances from an outer edge of the coil core 3 in the first transverse direction of extent.
  • Figure 16 and Figure 17 show choke coils 1, whose coil cores 3 are ring-shaped, with the bores 4 in the axial direction ( Figure 16 ) or in the radial direction ( Figure 17 ) through the coil core 3.
  • the main flow direction of the magnetic flux ⁇ corresponding to the longitudinal direction Z of the coil core 3 is circular here and the first transverse direction X', X" ( Figure 16 ) or the second transverse extension direction Y', Y" ( Figure 17 ) are radially oriented, i.e. different for each hole 4.
  • Figure 18 shows a current limiter 100 according to the invention for a two-phase current with a choke coil 100, which comprises two choke windings 2.1, 2.2 and two associated coil core legs 3.1, 3.2, wherein the choke windings 2.1, 2.2 are each provided for one phase of the two-phase current.
  • the coil core legs 3.1, 3.2 each have three cuboid coil core segments 3a, 3b, 3c, which are separated from one another by air gaps 30, wherein each of the coil core segments 3a, 3b, 3c has a bore 4, and wherein the coil core segments 3a, 3b, 3c have different dimensions in the longitudinal direction relative to the dimension in the first transverse direction.
  • the choke coil 100 can also be operated in single-phase mode, for which purpose the two choke windings 2.1, 2.2 must be connected in series or parallel.
  • Figure 19 shows a further two-phase choke coil 100 with a coil core 3, which comprises an annular coil core segment 3R and an I-shaped coil core segment 3I arranged therein, wherein the bores 4 are, for example, only introduced into the I-shaped coil core segment 3I.
  • the choke windings 2.1, 2.2 for the two current phases are arranged in sections around the annular coil core segment 3R.
  • Figure 20 shows a choke coil 100 for a three-phase alternating current.
  • the three choke windings 2.1, 2.2, 2.3 are each provided for one phase IL1, IL2, IL3 of the three-phase alternating current, and the associated coil core legs 3.1, 3.2, 3.3 each comprise four cuboid coil core segments 3a, 3b, 3c, 3d, through each of which a bore 4 runs.
  • the control current Is is fed by means of the control winding 5 through all holes 4, whereby successive holes 4 are flooded in opposite directions, and whereby the coil core segments 3I acting as a yoke guide the control winding 5 between the coil core legs 3.1, 3.2, 3.3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Drosselspule und ein darauf basierendes Verfahren zur Begrenzung eines elektrischen Stroms.
    • STAND DER TECHNIK
  • Drosselspulen werden als Strombegrenzer im Bereich der Stromversorgung elektrischer oder elektronischer Geräte, in der Leistungselektronik sowie in der Nieder- und Hochfrequenztechnik eingesetzt. Beispielsweise fungieren sie als Stellglieder im Energienetz, zur Filterung, als Überspannungsschutz, in Blindleistungskompensationsvorrichtungen, als Energiespeicher oder zur Lastflusssteuerung.
  • Drosselspulen umfassen wenigstens eine Drosselwicklung und einen üblicherweise magnetischen Spulenkern, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff, welcher in massiver oder laminierter Ausführung, beispielsweise in Form von gesinterten Ferriten oder Elektroblech, vorliegt. Die Induktivität von Drosselspulen wird maßgeblich durch die Ausgestaltung des magnetischen Kreises bestimmt, und im Stand der Technik ist es bekannt, die Induktivität einer Drosselspule mittels einer gezielten Änderung der Länge eines Luftspalts im Spulenkern zu variieren. Figur 1a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer derartigen Drosselspule 1a mit einer Drosselwicklung 2 und einem magnetischen Spulenkern 3 mit einem Luftspalt 30, dessen Spaltbreite δ mittels Verlagerung eines beweglichen Spulenkernsegments variierbar ist.
  • Figur 1b zeigt zugehörige Kennlinien der Drosselspule in Abhängigkeit von der Spaltbreite δ, nämlich die Flussverkettung ψ, d.h. der gesamte magnetischen Fluss durch die Drosselspule, und die Induktivität L als Funktion des Stroms I durch die Drosselwicklung (jeweils in beliebigen Einheiten). Die ψ-I-Kennlinien weisen einen linearen Verlauf bis zur Sättigung der Magnetisierung des Spulenkerns auf, wobei die Variation der Spaltbreite δ zu einer symmetrischen Verkippung der Kennlinien führt. Dem entspricht eine über den gesamten Arbeitsbereich der Drosselspule konstante Induktivität L, welche mittels Vergrößerns der Spaltbreite δ monoton absenkbar ist. Aus regelungstechnischer Sicht ist eine derartige Steuerbarkeit der Induktivität einer Drosselspule überaus wünschenswert. Nachteilig an dem dargestellten Konzept sind jedoch die langsamen Schaltzeiten der Drosselspule bedingt durch die mechanische Verlagerung des Spulenkernsegmentes, welche typischerweise im Sekundenbereich liegen. Das verschiebbar gelagerte Spulenkernsegment stellt außerdem ein Verschleißteil dar, insbesondere aufgrund der in typischen Anwendungsumgebungen auftretenden Vibrationen aufgrund von elektromechanischen Kräften. Diese Verschleißanfälligkeit begrenzt die Lebensdauer der Drosselspule und bedingt zudem ein Ausfallrisiko.
  • Eine Alternative stellt das sognannte Virtual-Air-Gap Konzept dar, welches beispielsweise in der Druckschrift EP 2 686 931 B1 offenbart ist. Figur 2a zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer dementsprechenden Drosselspule 1b und Figur. 2b die zugehörigen ψ-I- bzw. L-I-Kennlinien. Das Virtual-Air-Gap Konzept basiert auf einer einstellbaren Vormagnetisierung des Spulenkerns 3 mittels einer bestrombaren Steuerwicklung, welche sich durch die beiden Bohrungen 4 im Spulenkern 3 erstreckt. Die Bohrungen 4 verlaufen dabei senkrecht zur magnetischen Hauptflussrichtung des betreffenden Segments des Spulenkerns 3. Bei Bestromung der Steuerwicklung mittels eines Steuerstroms Is wird ein magnetischer Fluss um die Bohrungen 4 in den Spulenkern 3 eingebracht, welcher anhand der strichlierten bzw. strichpunktierten Flusslinien schematisch dargestellt ist. Mittels des Steuerstroms Is kann somit auf die Flussverkettungscharakteristik ψ(I, Is) und die Induktivität L(I, Is) der Drosselspule Einfluss genommen werden. Im Unterschied zur vorgenannten Drosselspule mit mechanisch variierbarer Luftspaltlänge ist die Variation der Induktivität jedoch zusätzlich stark abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt der Drosselspule, d.h., es ist keine über den gesamten Arbeitsbereich der Drosselspule konstante Induktivität einstellbar, was aus regelungstechnischer Sicht unbefriedigend ist.
  • Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die ψ-I- bzw. L-I-Kennlinien der Figur 2b durch einen geregelten Steuerstrom Is in die Kennlinien der Figur 1b überführbar sind, wie der Projektabschlussbericht NR2-RPC (Förderkennzeichen BMWi 0324106A, Verbundnummer 01171672) offenbart. Dazu enthält der Steuerstrom Is neben dem Gleichstrom- einen Wechselstromanteil, welcher aus einem Spektrum an Oberschwingungen in Bezug zum Drosselstrom I besteht. Das Spektrum des Wechselstromanteils muss durch die Regelung in der Amplitude und der Phasenverschiebung zum Drosselstrom I bestimmt und durch die Stromquelle des Steuerstromes Is bereitgestellt werden. Dabei ist die Bestimmung des Oberschwingungsspektrums durch die Regelung nicht trivial und die zugehörige Stromquelle des Steuerstroms Is weist einen aufwendigen Aufbau auf. Das Verfahren ist somit nachteilig komplex und fehleranfällig.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine steuerbare Drosselspule und ein zugehöriges Verfahren zur Begrenzung eines elektrischen Stromes vorzuschlagen, welche auf einer schnellen, ausfallsicheren und zweckmäßigen Steuerbarkeit der Induktivität der Drosselspule basieren.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Drosselspule gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die technische Lehre der Erfindung offenbart eine steuerbare Drosselspule, umfassend wenigstens eine Drosselwicklung und einen magnetischen Spulenkern, welcher eine Längserstreckungsrichtung entsprechend der magnetischen Hauptflussrichtung, eine erste Quererstreckungsrichtung und eine zweite Quererstreckungsrichtung aufweist, wobei die drei Erstreckungsrichtungen paarweise senkrecht zueinander orientiert sind, wobei der Spulenkern wenigstens drei Bohrungen aufweist,
    • wobei die Bohrungen im Wesentlichen entlang der zweiten Quererstreckungsrichtung verlaufen,
    • wobei in jeder Quererstreckungsebene des Spulenkerns, welche durch die erste Quererstreckungsrichtung und die zweite Quererstreckungsrichtung aufgespannt ist, höchstens eine Bohrung verläuft, und
    • wobei ein Abstand wenigstens einer Bohrung zu einem Außenrand des Spulenkerns in der ersten Quererstreckungsrichtung größer ist als
      • o ein Abstand der Bohrung zu einer weiteren Berandung des Spulenkerns,
    wobei eine Steuerwicklung durch die Bohrungen verläuft, derart, dass mittels eines Steuerstroms durch die Steuerwicklung eine Vormagnetisierung des Spulenkerns erzeugbar ist.
  • Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, eine zweckmäßige Modifikation des Virtual-Air-Gap Konzeptes vorzunehmen, welche die Anzahl der Bohrungen zur Aufnahme der Steuerwicklung und deren Anordnung zueinander bzw. relativ zur Brandung des Spulenkerns betrifft. Damit gelingt die Einstellung komplexerer Vormagnetisierungsmuster im Spulenkern, deren Zweckmäßigkeit für die Steuerbarkeit der Drosselspule später im Detail aufgezeigt wird. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Konzept möglich, die Induktivität der Drosselspule über ihren gesamten Arbeitsbereich im Wesentlichen monoton und näherungsweise linear mittels des Steuerstroms zu variieren, insbesondere mittels eines Gleichstroms.
  • Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Anordnung der Bohrungen dienen zunächst die Figuren 3a bis 3c. Diese zeigen schematische Ansichten eines Abschnitts eines Spulenkerns 3, durch welchen eine bzw. zwei Bohrungen 4 verlaufen. Der Spulenkern 3 weist eine Längserstreckungsrichtung Z auf, welche der lokalen magnetischen Hauptflussrichtung entspricht sowie eine zu der Längserstreckungsrichtung Z orthogonale Quererstreckungsebene, welche durch die erste Quererstreckungsrichtung X und die zweite Quererstreckungsrichtung Y aufgespannt ist. Die Bohrungen 4 verlaufen im Wesentlichen entlang der zweiten Quererstreckungsrichtung Y, wobei in jeder Quererstreckungsebene höchstens eine Bohrung 4 verläuft. Erfindungsgemäß ist der Abstand x1 einer Bohrung 4 zu einem Außenrand des Spulenkerns 3 in der ersten Quererstreckungsrichtung X größer als ein Abstand x2 bzw. ein Abstand z1 der Bohrung 4 zu einer weiteren Berandung des Spulenkerns 3 (Figuren 3a und 3b), nicht Teil der Erfindung ist folgendes Kriterium: der Abstand x1 ist größer als der halbe Abstand d4 zu einer weiteren Bohrung 4 (Figur 3c).
  • Selbstverständlich bildet nicht ein beliebiger Außenrand des Spulenkerns den Referenzabstand (x1) zur Beurteilung der relativen Anordnung der betrachteten Bohrung, vielmehr ist erfindungsgemäß nur der Abstand zu einem der beiden nächstliegenden Außenränder des Spulenkerns in der ersten Quererstreckungsrichtung maßgeblich. Anders ausgedrückt sind nur die Abmessungen desjenigen Segments des Spulenkerns von Belang, in welchem die betrachtete Bohrung angeordnet ist. Wie nachstehend detaillierter dargestellt wird, zielt die erfindungsgemäße Anordnung der Bohrungen immer auf die Schaffung einer geometrischen Engstelle für den durch die Steuerwicklung eingebrachten magnetischen Fluss, und in diesem Zusammenhang sind allein die Abstände der Bohrung zu den nächstliegenden Außenrändern des Spulenkerns maßgeblich. Die Abstände zu den nächstliegenden Außenrändern bestimmen die sich einstellende Magnetisierungsverteilung um die bestromte Steuerwicklungsbohrung herum, und der Einfluss der sonstigen maßlichgeometrischen Ausbildung des Spulenkerns ist demgegenüber vernachlässigbar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist unter der magnetischen Hauptflussrichtung jeweils die lokale Hauptflussrichtung in einem betreffenden Spulenkernsegment zu verstehen, wie Figur 4 veranschaulicht. Darin ist beispielhaft ein U-förmiger Spulenkern 3 dargestellt, welcher einen horizontalen und zwei vertikale Spulenkernsegmente umfasst, deren Übergänge durch die gestrichelten Begrenzungslinien dargestellt sind. Einhergehend mit den unterschiedlichen Hauptflussrichtungen des magnetischen Flusses Φ', Φ", Φ‴ in den drei Spulenkernsegmenten sind im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch die Längserstreckungsrichtung Z', Z", Z‴ sowie die Quererstreckungsrichtungen X', X", X‴ und Y', Y", Y‴ lokal unterschiedlich orientiert, wobei sich die erfindungsgemäßen Vorschriften betreffend die Anordnung der Bohrungen in Bezug auf das jeweils lokal gültige Koordinatensystem X, Y, Z des betreffenden Spulenkernsegments beziehen.
  • Weiterhin zeigen die Figuren 5a bis 5c schematische Ansichten eines Spulenkerns 3 mit alternativen, aber nicht erfindungsgemäß angeordneten Bohrungen 4, durch welche jeweils die Steuerwicklung 5 verläuft, die im Falle der Figur 5a jede Bohrung 4 nur einmal durchläuft und im Falle der Figuren 5b und 5c mehrfach durch jede Bohrung 4 verläuft. Bei Letzteren wird durch den Steuerstrom eine höhere Steuerdurchflutung erzeugt bzw. es ist ein geringerer Steuerstrom zur Erzeugung einer identischen Steuerdurchflutung vonnöten. In dieser Alternative oder im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Wicklungskonzepte der Steuerwicklung zur zweckmäßigen Beeinflussung der Vormagnetisierung des Spulenkerns Verwendung finden.
  • Zur Veranschaulichung des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren 6, 7, 8 und 9a simulierte Verteilungen der magnetischen Flussdichte in weichmagnetischen Spulenkernen 3 als Feldlinienbilder dargestellt, welche sich bei Bestromung der Steuerwicklung unter unterschiedlichen Anordnungen der Bohrungen 4 ergeben. Im jeweils linken Teilbild ist eine schematische Darstellung des zugrundeliegenden Modells gezeigt, d.h., der Lage der Bohrungen 4 im Spulenkern 3, wobei die Lage jeweils systematisch variiert wird, worauf die in den weiteren Teilbildern dargestellten Verteilungen der magnetischen Flussdichte jeweils beruhen. Der Simulation liegt dabei eine feste Steuerdurchflutung durch die Bohrungen 4 zugrunde, wobei die Drosselwicklung der zugehörigen Drosselspule jeweils stromlos ist. Das Vorzeichen der Steuerdurchflutung jeder Bohrung 4 ist durch ein Punkt- bzw. Kreuzsymbol dargestellt.
  • In Figur 6 wird eine systematische Variation des Abstandes der Bohrungen 4 zu den Außenrändern des Spulenkerns 3 in der ersten Quererstreckungsrichtung X, d.h., eine Variation des Verhältnisses x2/x1 vorgenommen. Bei mittiger Anordnung der Bohrungen 4, d.h., bei x2/x1 = 1 resultiert eine symmetrische Flussdichteverteilung, welche einer entsprechenden Verteilung der Vormagnetisierung des Spulenkerns 3 entspricht. Bei ausreichend hohem Steuerstrom wird die Vormagnetisierung in den Erstreckungsebenen der beiden Bohrungen 4 vollständig in die Sättigung getrieben, sodass der Spulenkern 3 keinen weiteren magnetischen Fluss aus einer Bestromung der Drosselwicklung aufzunehmen vermag und somit die Induktivität der Drosselspule stark abgesenkt ist. Diese ausschließlich mittige Anordnung der Bohrungen 4 entspricht dem Virtual-Air-Gap Konzept nach dem Stand der Technik und resultiert in charakteristischen Kennlinien, welche den Darstellungen der Figur 2b entsprechen. Bei einer Verschiebung der Bohrungen 4 in der ersten Quererstreckungsrichtung X, d.h., bei einer Verringerung des Verhältnisses x2/x1 bildet sich eine in den Quererstreckungsebenen X-Y asymmetrische Verteilung von magnetischer Flussdichte und Vormagnetisierung des Spulenkerns 3 aus. Bei diesen außermittigen Anordnungen der Bohrungen 4 ist es mittels des Steuerstroms praktisch unmöglich, eine vollständige Sättigung der Vormagnetisierung in der gesamten Quererstreckungsebene der jeweiligen Bohrung 4 zu erzeugen, da aufgrund der Quellenfreiheit der magnetischen Flussdichte die durch den Abstand x2 gegebene Engstelle den magnetischen Fluss limitiert. So ist bei x2/x1 = 0,33 die in den Spulenkern eingebrachte Flussdichte bereits wesentlich geringer als beispielsweise bei x2/x1 = 1, und im Extremfall x2=0 (in der Praxis wenig relevant) wird bei der zugrundeliegenden Steuerdurchflutung der Bohrungen 4 (nahezu) kein magnetischer Fluss in den Spulenkern 3 eingebracht.
  • In Figur 7 werden die Flussverteilungen bei einer Variation des Verhältnisses von Länge Lz zu Breite Bx des Spulenkerns 3, d.h., bei einer Variation des Verhältnisses z1/x1 dargestellt. Bei Anordnungen mit z1/x2 < 1 stellt der Abstand z1 zwischen der Bohrung 4 und dem Außenrand des Spulenkerns 3 eine den magnetischen Fluss begrenzende Engstelle dar, sodass in diesen Anordnungen mittels des Steuerstroms praktisch keine vollständige Sättigung der Vormagnetisierung des Spulenkerns 3 in der Quererstreckungsebene X-Y der Bohrung 4 erzeugbar ist.
  • Figur 8 zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte im Spulenkern 3 bei Variation des Abstandsverhältnisses x2/x1 der Bohrungen 4 zu den Außenrändern des Spulenkerns 3 in der ersten Quererstreckungsrichtung X, wobei die Bohrungen 4 in entgegengesetzte Richtungen versetzt werden und eine gleichsinnige Steuerdurchflutung aufweisen. Im Vergleich zum Beispiel der Figur 6 ergeben sich in den Quererstreckungsebenen der Bohrungen 4 ähnliche Flussverteilungen, wohingegen der Bereich zwischen den Bohrungen 4 aufgrund der Unterschiede in der Orientierung der Steuerdurchflutung unterschiedlich vormagnetisiert wird.
  • Figur 9a zeigt die Verteilungen der magnetischen Flussdichte im Spulenkern 3 unter Variation des Abstandes d4 in Längserstreckungsrichtung Z zwischen den beiden gegensinnig durchfluteten Bohrungen 4. Im Bereich zwischen den Bohrungen 4 kommt es zu einer konstruktiven Überlagerung der magnetischen Teilflüsse, sodass der Spulenkern 3 dort als Erstes in einen Zustand vollständig gesättigter Vormagnetisierung überführt wird, womit abermals eine Begrenzung des magnetischen Flusses in den jeweiligen Quererstreckungsebenen X-Y der Bohrungen 4 einhergeht, sodass dort mittels des Steuerstroms im Wesentlichen keine vollständige Sättigung der Vormagnetisierung erzeugbar ist.
  • Figur 9b zeigt zu den Simulationen der Figur 9a gehörige Kennlinien des magnetischen Flusses Φ (in Einheiten des Sättigungsflusses Φsat) im Spulenkern als Funktion einer durch Bestromung der Drosselwicklung erzeugte magnetische Spannung V bei konstanter Steuerdurchflutung Ξs der Steuerwicklung unter Variation des d4/x1-Verhältnisses gemäß der Darstellung der Figur 9a. Bei d4/x1=0, d.h., bei einer Anordnung der Bohrungen, mittels welcher praktisch kein magnetischer Fluss über einen Steuerstrom in den Spulenkern einbringbar ist, entspricht die Kennlinie Φ(V) einer gewöhnlichen Spule mit weichmagnetischem Kern. Bei Erhöhung des d4/x1-Verhältnisses, d.h., bei Vorliegen einer durch die Steuerdurchflutung Ξs bedingten Vormagnetisierung des Spulenkerns weisen die Kennlinien Φ(V) charakteristische Plateaus auf, welche Ummagnetisierungsprozesse der Vormagnetisierung aufgrund der anliegenden magnetischen Spannung V widerspiegeln. Je nach konkreter Anordnung der Bohrungen ist die Vormagnetisierung unterschiedlich ausgeprägt, sodass die Lage der Plateaus in den Φ(V) Kennlinien variiert. Auf dieser Erkenntnis beruht ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich eine zweckmäßige Ausgestaltung, d.h., insbesondere eine Linearisierung der Φ(V) Kennlinien mittels einer Kombination von Bohrungen in unterschiedlichen Anordnungen zur abschnittsweise unterschiedlich ausgeprägbaren Vormagnetisierung des Spulenkerns.
  • Dies zeigt beispielhaft Figur 10a, in welcher die Ergebnisse einer Simulation zur Verteilung der magnetischen Flussdichte und der resultierenden Φ(V) Kennlinie basierend auf einem Spulenkern 3 mit drei Paaren von Bohrungen 4 dargestellt sind, wobei die Paare unterschiedliche Abstände d4 in der Längserstreckungsrichtung Z zwischen den zugehörigen Bohrungen 4 aufweisen. In den Φ(V) Kennlinien bei Anliegen eines Steuerstroms Is als Gleichstrom zeigt sich eine Mehrzahl von Stufen entsprechend der Ummagnetisierungsprozesse um die einzelnen Bohrungen 4, und bei Erhöhung des Steuerstrom Is resultiert eine Verkippung der Kennlinien.
  • In Figur 10b sind die zugehörigen Kennlinien der Flussverkettung Ψ im Spulenkern und der Induktivität L der Drosselspule über dem Strom I durch die Drosselwicklung aufgetragen. Hier zeigt sich nun die gewünschte Charakteristik, welche annäherungsweise dem idealen Verhalten einer Drosselspule mit mechanisch variierbarer Luftspaltbreite gemäß der Figuren 1a und 1b entspricht, d.h., eine Induktivität, welche über den gesamten Arbeitsbereich der Drosselspule näherungsweise konstant ist und sich mittels des Steuerstroms Is monoton und näherungsweise linear (Potenzfunktion mit einem Exponenten zwischen 1 und 2) über einen weiten Wertebereich variieren lässt. Ein besonderer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass lediglich ein Gleichstrom als Steuerstrom Is zur vorgenannten Steuerung der Induktivität der Drosselspule notwendig ist, d.h., dass auf den komplexen Aufbau gemäß Stand der Technik zur Erzeugung eines angepassten Wechselstroms als Steuerstrom verzichtet werden kann.
  • Beispielsweise weist der Spulenkern der erfindungsgemäßen Drosselspule wenigstens einen Luftspalt auf, welcher sich in einer Quererstreckungsebene des Spulenkerns erstreckt, wobei durch den Luftspalt eine Berandung des Spulenkerns gebildet ist. Das Vorhalten von Luftspalten dient der "statischen" Beeinflussung der Induktivität der Drosselspule.
  • Wie bereits beispielhaft anhand der Figur 10a dargestellt, weist der Spulenkern beispielsweise eine Mehrzahl von Paaren von Bohrungen auf, wobei die Paare unterschiedliche Abstände zwischen den zugehörigen Bohrungen aufweisen. Weiterhin können die Bohrungen beispielsweise unterschiedliche Abstände zu einem Außenrand des Spulenkerns in der ersten Quererstreckungsrichtung aufweisen. Dadurch sind unterschiedlich dimensionierte Engstellen für den magnetischen Fluss in den Quererstreckungsebenen der Bohrungen angelegt, woraus die gewünschte Quasi-Linearisierung der Kennlinien des magnetischen Flusses als Funktion der magnetischen Spannung resultiert.
  • Beispielsweise kann wenigstens eine der Bohrungen als ein Langloch ausgebildet sein. Ein Langloch kann eine größere Anzahl an Windungen der Steuerwicklung aufnehmen, sodass eine höhere Steuerdurchflutung erzielbar ist.
  • In einer speziellen Ausführungsform weist der Spulenkern eine Mehrzahl von quaderförmigen Spulenkernsegmenten auf, welche durch Luftspalte voneinander getrennt sind, wobei jedes Spulenkernsegment eine Bohrung aufweist und wobei die Spulenkernsegmente unterschiedliche Abmessungen in der Längserstreckungsrichtung relativ zur Abmessung in der ersten Quererstreckungsrichtung aufweisen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Drosselspule mehrphasig ausgebildet, wobei die Drosselspule mehrere Drosselwicklungen und mehrere zugehörige Spulenkernschenkel umfasst, wobei die Drosselwicklungen für jeweils eine Phase eines Mehrphasenwechselstroms vorgesehen sind.
  • Beispielsweise umfasst die erfindungsgemäße Drosselspule eine Gleichstromquelle und eine zugehörige Steuerung, mittels welchen der Steuerstrom zur Erzeugung einer gewünschten Vormagnetisierung im Spulenkern in die Steuerwicklung einbringbar ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Begrenzung eines elektrischen Stroms mittels einer erfindungsgemäßen steuerbaren Drosselspule, wobei der zu begrenzende Strom in die Drosselwicklung eingebracht wird und wobei ein Steuerstrom in die Steuerwicklung eingebracht wird, welche eine zur gewünschten Strombegrenzung geeignete Vormagnetisierung in dem Spulenkern der Drosselspule erzeugt.
  • Dabei wird der Steuerstrom beispielsweise durch eine Gleichstromquelle erzeugt.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der zu begrenzende Strom als ein gepulster Gleichstrom ausgebildet, welcher nach dem Durchlaufen der Drosselwicklung die Steuerwicklung durchläuft, wodurch der Steuerstrom gebildet wird. Der gepulste Gleichstrom weist einen Gleich- und einen Wechselstromanteil auf, wobei der Wechselstromanteil gegenüber dem Gleichstromanteil vorzugsweise deutlich kleiner ist, beispielsweise ein Drittel des Gleichstromanteils beträgt. In dieser Ausführungsform wird folglich die Induktivität der Drosselspule durch den zu begrenzenden Strom bestimmt.
  • Sofern der zu begrenzende Strom als ein Mischstrom ausgebildet ist, können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Gleichstromanteil und der Wechselstromanteil des Mischstroms voneinander getrennt werden, wobei der Steuerstrom durch den Gleichstromanteil gebildet wird. Die Trennung in Gleichstrom- und Wechselstromanteile kann beispielsweise mittels einer Drosselwicklung vorgenommen werden, welche zwei parallele Wicklungen umfasst, von denen eine aus einem Litzenbündel und die andere aus einem niederohmigen Volldraht oder einem sonstigen massiven Leiter, z.B. mit Rechteckprofil, ausgebildet ist, sodass der Wechselstromanteil durch das Litzenbündel und der Gleichstromanteil durch den massiven Leiter verläuft, wobei der Gleichstromanteil anschließend noch die Steuerwicklung als Steuerstrom durchläuft.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Steuerstrom zudem aus einer Kombination eines von einer Gleichstromquelle gelieferten Anteils und eines Anteils aus dem zu begrenzenden Strom gebildet werden. Dazu können beispielsweise zwei separate Steuerwicklungen vorgesehen sein.
    • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
  • Figur 11 bis Figur 20 zeigen erfindungsgemäße Drosselspulen 100 in schematischer Querschnittsansicht. Der Übersichtlichkeit halber sind in den meisten Figuren die Steuerwicklungen jeweils nicht dargestellt. Entsprechend der vorhergehenden Beschreibung verlaufen die Steuerwicklungen jeweils durch die Bohrungen im Spulenkern. Die Anordnung der Bohrungen entspricht jeweils der technischen Lehre des Anspruchs 1.
  • Figur 11 zeigt eine Drosselspule 100 mit einem Spulenkern 3, welcher zwei U-förmige Spulenkernsegmente 3U umfasst, welche durch einen Luftspalt 30 voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen 4 in beide Spulenkernsegmente 3U eingebracht sind. Alternativ könnten Bohrungen in nur eines der Spulenkernsegmente 3U eingebracht sein. Die Bohrungen 4 bilden Paare, wobei die Paare unterschiedliche Abstände zwischen den zugehörigen Bohrungen 4 aufweisen. Die Drosselwicklung 2 umläuft den Spulenkern 3 abschnittsweise, wobei die Drosselwicklung 2 beispielhaft zwei Wicklungsabschnitte umfasst, welche entweder parallel oder in Reihe geschaltet sein können.
  • Figur 12 zeigt eine Drosselspule 100, deren Spulenkern 3 zwei E-förmige Spulenkernsegmente 3E umfasst, welche durch einen Luftspalt 30 voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen 4 in beide Spulenkernsegmente 3E eingebracht sind. Alternativ könnten Bohrungen in nur eines der Spulenkernsegmente 3E eingebracht sein. Eine der Bohrungen 4 ist als ein Langloch ausgebildet, wodurch eine höhere Steuerdurchflutung möglich ist. Alternativ kann der Spulenkern auch als Mantelkern mit nur einem Luftspalt in der Mitte oder Luftspalten nur in den äußeren Schenkeln ausgebildet sein.
  • Figur 13 zeigt eine Drosselspule 100, deren Spulenkern 3 vier I-förmige Spulenkernsegmente 3I umfasst, welche in einer rechteckförmigen Anordnung jeweils durch Luftspalte 30 voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen 4 hier beispielhaft in zwei der Spulenkernsegmente 3I eingebracht sind. Die Bohrungen 4 sind dabei zu Paaren gruppiert, wobei die Paare unterschiedliche Abstände zwischen den Bohrungen 4 aufweisen und wobei die Bohrungen 4 paarweise unterschiedliche Abstände zu einem Außenrand des Spulenkerns 3 in der ersten Quererstreckungsrichtung aufweisen.
  • Figur 14 und Figur 15 zeigen Drosselspulen 1, deren Spulenkerne 3 jeweils ein I-förmiges Spulenkernsegment 3I und zwei U-förmige Spulenkernsegmente 3U umfassen, welche durch Luftspalte 30 voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen 4 beispielhaft in das I-förmige Spulenkernsegment 3I eingebracht sind. Alternativ können die äußeren Spulenkernsegmente auch als halbe Ringkerne ausgebildet sein.
  • Figur 16 und Figur 17 zeigen Drosselspulen 1, deren Spulenkerne 3 ringförmig ausgebildet sind, wobei die Bohrungen 4 in axialer Richtung (Figur 16) beziehungsweise in radialer Richtung (Figur 17) durch den Spulenkern 3 verlaufen. Die Hauptflussrichtung des magnetischen Flusses Φ entsprechend der Längserstreckungsrichtung Z des Spulenkerns 3 verläuft hier kreisförmig und die erste Quererstreckungsrichtung X', X" (Figur 16) bzw. die zweite Quererstreckungsrichtung Y', Y" (Figur 17) sind radial orientiert, d.h., je Bohrung 4 unterschiedlich.
  • Figur 18 zeigt einen erfindungsgemäßen Strombegrenzer 100 für einen zweiphasigen Strom mit einer Drosselspule 100, welche zwei Drosselwicklungen 2.1, 2.2 und zwei zugehörige Spulenkernschenkel 3.1. 3.2 umfasst, wobei die Drosselwicklungen 2.1, 2.2 für jeweils eine Phase des zweiphasigen Stroms vorgesehen sind. Die Spulenkernschenkel 3.1, 3.2 weisen jeweils drei quaderförmige Spulenkernsegmente 3a, 3b, 3c auf, welche durch Luftspalte 30 voneinander getrennt sind, wobei jedes der Spulenkernsegmente 3a, 3b, 3c eine Bohrung 4 aufweist, und wobei die Spulenkernsegmente 3a, 3b, 3c unterschiedliche Abmessungen in der Längserstreckungsrichtung relativ zur Abmessung in der ersten Quererstreckungsrichtung aufweisen. Alternativ kann die Drosselspule 100 auch einphasig betrieben werden, wozu die beiden Drosselwicklungen 2.1, 2.2 in Reihe oder parallel zu schalten sind.
  • Figur 19 zeigt eine weitere zweiphasige Drosselspule 100 mit einem Spulenkern 3, welcher ein ringförmiges Spulenkernsegment 3R und ein darin angeordnetes I-förmiges Spulenkernsegment 3I umfasst, wobei die Bohrungen 4 beispielhaft nur in das I-förmige Spulenkernsegment 3I eingebracht sind. Die Drosselwicklungen 2.1, 2.2 für die beiden Stromphasen sind abschnittsweise um das ringförmige Spulenkernsegment 3R angeordnet.
  • Figur 20 zeigt eine Drosselspule 100 für einen Dreiphasen-Wechselstrom. Die drei Drosselwicklungen 2.1, 2.2, 2.3 sind für jeweils eine Phase IL1, IL2, IL3 des Dreiphasen-Wechselstroms vorgesehen und die zugehörigen Spulenkernschenkel 3.1, 3.2, 3.3 umfassen jeweils vier quaderförmige Spulenkernsegmente 3a, 3b, 3c, 3d, durch welche jeweils eine Bohrung 4 verläuft. Der Steuerstrom Is wird mittels der Steuerwicklung 5 durch sämtliche Bohrungen 4 geleitet, wobei aufeinanderfolgende Bohrungen 4 gegensinnig durchflutet werden, und wobei die als Joch fungierenden Spulenkernsegmente 3I die Steuerwicklung 5 zwischen den Spulenkernschenkeln 3.1, 3.2, 3.3 führt.
    • Figurenverzeichnis:
    • Fig. 1a:
    schematische Querschnittsansicht einer ersten Drosselspule gemäß Stand der Technik,
    Fig. 1b:
    simulierte Kennlinien zu Fig. 1a,
    Fig. 2a:
    schematische Querschnittsansicht einer zweiten Drosselspule gemäß Stand der Technik,
    Fig. 2b:
    simulierte Kennlinien zu Fig. 2a,
    Fig. 3a - 3c:
    schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung der Bohrungen,
    Fig. 4:
    schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Richtungsbezeichnung,
    Fig. 5a - 5c:
    schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Steuerwicklungen,
    Fig. 6:
    simulierte Flussdichteverteilungen in einem Spulenkern bei Variation der Bohrungsanordnung,
    Fig. 7:
    simulierte Flussdichteverteilungen in einem Spulenkern bei Variation der Spulenkerngeometrie,
    Fig. 8:
    simulierte Flussdichteverteilungen in einem Spulenkern bei Variation der Bohrungsanordnung,
    Fig. 9a:
    simulierte Flussdichteverteilungen in einem Spulenkern bei Variation der Bohrungsanordnung,
    Fig. 9b:
    Kennlinien zu Fig. 9a,
    Fig. 10a:
    simulierte Flussdichteverteilungen in einem Spulenkern bei Variation der Bohrungsanordnung und zugehörige Kennlinien,
    Fig. 10b:
    Kennlinien zu Fig. 10a,
    Fig. 11:
    erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 12:
    zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 13:
    drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 14:
    viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 15:
    fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 16:
    sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 17:
    siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 18:
    achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule,
    Fig. 19:
    neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule, und
    Fig. 20:
    zehntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drosselspule.
    Bezugszeichenliste:
    • 100
    Drosselspule
    1a, 1b
    Drosselspule gemäß Stand der Technik
    2
    Drosselwicklung
    2.1, 2.2, 2.3
    Drosselwicklung für Drehstromphase
    3
    Spulenkern
    3a, 3b, 3c
    Spulenkernsegment
    3U
    U-förmiges Spulenkernsegment
    3E
    E-förmiges Spulenkernsegment
    3I
    I-förmiges Spulenkernsegment
    3R
    ringförmiges Spulenkernsegment
    3.1, 3.2, 3.3
    Spulenkernschenkel
    30
    Luftspalt
    4
    Bohrung
    5
    Steuerwicklung
    X
    erste Quererstreckungsrichtung
    Y
    zweite Quererstreckungsrichtung
    Z
    Längserstreckungsrichtung
    x1, x2, z1
    Abstand zu Berandung
    d4
    Abstand zwischen Bohrungen
    Bx
    Abmessung erste Quererstreckungsrichtung
    Lz
    Abmessung Längserstreckungsrichtung
    δ
    Spaltbreite
    I
    zu begrenzender Strom
    Is
    Steuerstrom
    Ξs
    Steuerdurchflutung
    Φ
    magnetischer Fluss
    Ψ
    Flussverkettung
    V
    magnetische Spannung
    L
    Induktivität

Claims (17)

  1. Steuerbare Drosselspule (100), umfassend wenigstens eine Drosselwicklung (2) und einen magnetischen Spulenkern (3), welcher eine Längserstreckungsrichtung (Z) entsprechend der magnetischen Hauptflussrichtung, eine erste Quererstreckungsrichtung (X) und eine zweite Quererstreckungsrichtung (Y) aufweist, wobei die drei Erstreckungsrichtungen (X, Y, Z) paarweise senkrecht zueinander orientiert sind, wobei der Spulenkern (3) wenigstens drei Bohrungen (4) aufweist,
    - wobei die Bohrungen (4) im Wesentlichen entlang der zweiten Quererstreckungsrichtung (Y) verlaufen,
    - wobei in jeder Quererstreckungsebene des Spulenkerns (3), welche durch die erste Quererstreckungsrichtung (X) und die zweite Quererstreckungsrichtung (Y) aufgespannt ist, höchstens eine Bohrung (4) verläuft, und
    - wobei ein Abstand (x1) wenigstens einer Bohrung (4) zu einem Außenrand des Spulenkerns (3) in der ersten Quererstreckungsrichtung (X) größer ist als
    o ein Abstand (x2, z1) der Bohrung (4) zu einer weiteren Berandung des Spulenkerns (3),
    wobei eine Steuerwicklung (5) durch die Bohrungen (4) verläuft, derart, dass mittels eines Steuerstroms (Is) durch die Steuerwicklung (5) eine Vormagnetisierung des Spulenkerns (3) erzeugbar ist.
  2. Drosselspule (100) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) wenigstens einen Luftspalt (30) aufweist, welcher sich in einer Quererstreckungsebene des Spulenkerns (3) erstreckt, wobei durch den Luftspalt (30) eine Berandung des Spulenkerns (3) gebildet ist.
  3. Drosselspule (100) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) eine Mehrzahl von Paaren von Bohrungen (4) aufweist, wobei die Paare unterschiedliche Abstände (d4) zwischen den zugehörigen Bohrungen (4) aufweisen.
  4. Drosselspule (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bohrungen (4) unterschiedliche Abstände (x1) zu einem Außenrand des Spulenkerns (3) in der ersten Quererstreckungsrichtung (X) aufweisen.
  5. Drosselspule (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens eine der Bohrungen (4) als ein Langloch ausgebildet ist.
  6. Drosselspule (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) eine Mehrzahl von quaderförmigen Spulenkernsegmenten (3a, 3b, 3c, 3d) aufweist, welche durch Luftspalte (30) voneinander getrennt sind, wobei jedes Spulenkernsegment (3a, 3b, 3c, 3d) eine Bohrung (4) aufweist, und wobei die Spulenkernsegmente (3a, 3b, 3c, 3d) unterschiedliche Abmessungen (Lz) in der Längserstreckungsrichtung (Z) relativ zur Abmessung (Bx) in der ersten Quererstreckungsrichtung (X) aufweisen.
  7. Drosselspule (100) nach einem Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) zwei U-förmige Spulenkernsegmente (3U) umfasst, welche durch einen Luftspalt (30) voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen (4) in eines der Spulenkernsegmente (3U) oder in beide Spulenkernsegmente (3U) eingebracht sind.
  8. Drosselspule (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) zwei E-förmige Spulenkernsegmente (3E) umfasst, welche durch einen Luftspalt (30) voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen (4) in eines der Spulenkernsegmente (3E) oder in beide Spulenkernsegmente (3E) eingebracht sind.
  9. Drosselspule (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) vier I-förmige Spulenkernsegmente (3I) umfasst, welche in einer rechteckförmigen Anordnung durch Luftspalte (30) voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen (4) in eines der Spulenkernsegmente (3I) oder in mehrere Spulenkernsegmente (3I) eingebracht sind.
  10. Drosselspule (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) ein I-förmiges Spulenkernsegment (3I) und ein oder zwei U-förmige Spulenkernsegmente (3U) umfasst, welche durch Luftspalte (30) voneinander getrennt sind, wobei die Bohrungen (4) in eines der Spulenkernsegmente (3I, 3U) oder in mehrere Spulenkernsegmente (3I, 3U) eingebracht sind.
  11. Drosselspule (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Spulenkern (3) ringförmig ausgebildet ist, wobei die Bohrungen (4) in radialer oder in axialer Richtung durch den Spulenkern (3) verlaufen, oder dass der Spulenkern (3) wenigstens ein ringförmiges Spulenkernsegment (3R) umfasst.
  12. Drosselspule (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drosselspule (1) mehrphasig ausgebildet ist, wobei die Drosselspule (1) mehrere Drosselwicklungen (2.1, 2.2, 2.3) und mehrere zugehörige Spulenkernschenkel (3.1, 3.2, 3.3) umfasst, wobei die Drosselwicklungen (2.1, 2.2, 2.3) für jeweils eine Phase eines Mehrphasenwechselstroms vorgesehen sind.
  13. Drosselspule (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drosselspule (100) eine Gleichstromquelle und eine zugehörige Steuerung umfasst, mittels welchen der Steuerstrom (Is) zur Erzeugung einer gewünschte Vormagnetisierung im Spulenkern (3) in die Steuerwicklung (5) einbringbar ist.
  14. Verfahren zur Begrenzung eines elektrischen Stroms mittels einer steuerbaren Drosselspule (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der zu begrenzende Strom (I) in die Drosselwicklung (2) eingebracht wird, und wobei ein Steuerstrom (Is) in die Steuerwicklung (5) eingebracht wird, welcher eine zur gewünschten Strombegrenzung geeignete Vormagnetisierung in dem Spulenkern (3) der Drosselspule (1) erzeugt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Steuerstrom (Is) durch eine Gleichstromquelle erzeugt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zu begrenzende Strom (I) als ein gepulster Gleichstrom ausgebildet ist, welcher nach dem Durchlaufen der Drosselwicklung (2) die Steuerwicklung (5) durchläuft, wodurch der Steuerstrom (Is) gebildet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zu begrenzende Strom (I) als ein Mischstrom ausgebildet ist, wobei der Gleichstromanteil und der Wechselstromanteil des Mischstroms voneinander getrennt werden, und wobei der Steuerstrom (Is) durch den Gleichstromanteil gebildet wird.
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