FI120067B - Menetelmä induktiivisen komponentin valmistamiseksi ja induktiivinen komponentti - Google Patents

Description

MENETELMÄ INDUKTIIVISEN KOMPONENTIN VALMISTAMISEKSI JA INDUKTIIVINEN KOMPONENTTI

Menetelmä induktiivisen komponentin valmistamiseksi ja modulaarinen induktiivi-5 nen komponentti sekä suodatin ja suodatin perhe.

Induktiivisia komponentteja, kuristimia ja muuntajia, käytetään energian varastointiin (kuristin) ja siirtämiseen galvaanisen erotuksen yli (muuntaja) magneettikenttää käyttäen. Induktiiviset komponentit koostuvat käämistä ja sydämestä, joita voi olla 1 o yksi tai useampia, ja jotka ovat toistensa välittömässä yhteydessä. Käämiin kytketty jännite saa sydämessä aikaan muuttuvan magneettikentän, johon on mahdollista varastoida energiaa. Tämä käämiin kytketty jännite indusoi jännitteen käämiin itseensä (itseisinduktio) sekä mahdollisiin muihin samaan sydämeen kytkettyihin nk. toisiokäämeihin, jolloin toisioihin saadaan siirrettyä energiaa ensiöstä. Induktiivisten 15 komponenttien sydänmateriaalina käytetään mm. muuntajarautalevyjä, rautajau-hetta, ferriittiä ja amorfisia metalleja. Induktiivisten komponenttien kääminä käytetään mm. kuparilankaa, alumiinilankaa, piirilevyä, folioita. Induktiivisia komponentteja voidaan lisäksi yhdistää muunlaisten komponenttien, kuten vastusten ja kondensaattorien sekä kytkinkomponenttien kanssa esimerkiksi filtterien eli suodat-20 timien aikaansaamiseksi. Filttereitä käytetään sähkötekniikassa mm. sähköenergian suodattamiseen eli eritaajuisia komponentteja poistetaan tai jätetään muuttumatta. Esimerkkejä tällaisista suodattimista ovat mm. nk. 1) harmoniskuristimet, joilla suodatetaan verkkovirran muotoa, 2) sinifiltterit, joilla taajuusmuuttajien pulssi-leveysmoduloitu ja suurtaajuisia komponentteja sisältävä signaali suodatetaan sini- 2 5 muotoiseksi, 3) du/dt-filtterit, joilla taajuusmuuttajien pulssileveysmoduloitu ja suu ria jännitteen muutosnopeuksia sisältävä signaali suodatetaan hitaammin muuttuvaksi sekä useat muut suodattimet, jotka voivat olla yhdistelmiä edellä mainituista suodattimista.

30 Nykyisin induktiiviset komponentit ja filtterit suunnitellaan ja valmistetaan yksittäin kutakin sovelluskohdetta ja virta-arvoa varten. Tällöin esimerkiksi 1 - 1000A filtteri-perheen suunnitteluun kuluu huomattavasti aikaa. Lisäksi tuotantologistiikka on monimutkainen järjestettävä, sillä erilaisia nimikkeitä on tuotannossa paljon, kun 2 jokaista eri filtteriä varten tarvitaan omat alikomponenttinsa. On siis vaikea hallita sekä pienivirtaisten ja suurivirtaisten (eli kookkaiden) induktiivisten komponenttien tuotantoprosessi samanaikaisesti. Lisäksi suurivirtainen (esim. 1000A) induktiivinen komponentti on kookas, sillä jäähdytykseen tarvittava pinta-ala on suhteessa koko-5 naishäviöön ja suuren komponentin sallittu häviötehotiheys (häviö per tilavuus) on siten pienempi kuin pienen komponentin. Komponentin suunnitteluparametreina käytettävien virrantiheyden ja häviötehotiheyden arvoja on tällöin laskettava, mikä kasvattaa komponentin kokoa, hintaa ja painoa. Lisäksi suuren (esim. 1000A) induktiivisen komponentin käämityksen suurtaajuus eli nk. AC-resistanssi on suuri, 10 sillä suuri virta tarvitsee kookkaan johtimen ja suurilla taajuuksilla virta taas hyödyntää vain johtimien pintakerroksen, jolloin paksun johtimen efektiivinen resistanssi kasvaa. Esimerkiksi Sintermetal Prometheous ja Micrometals tekevät Sintermetal-materiaaliin perustuvia kuristimia, mutta ne ovat kookkaita yksittäiskuristimia, eikä suurivirtaista kuristinta ole saatavissa tai sellaisen valmistaminen vaatii erikoisen 15 suurikokoisia puristimia.

Toisinaan yksittäisiä E-muotoisia sydämiä asetetaan peräkkäin eräänlaiseksi modulaariseksi rakenteeksi. Tällä on kuitenkin yksi, epäoptimaalisen muotoinen käämi.

20

Pienemmillä tehoilla esim. hakkuriteholähteissä voidaan piirilevylle asentaa useita induktiivisia komponentteja rinnakkain, eräänlaiseksi moduliksi. Tällöin voidaan, esim. jakamalla suuri muuntaja useammaksi pieneksi muuntajaksi, pienentää laitteen kokonaiskorkeutta. Tämä ratkaisu on kuitenkin rajoitettu pienille tehoille, 25 lähinnä hakkuriteholähteisiin (tyypillisesti < 5kW).

Tunnetaan myös yhdysvaltalainen patentti nro US7113065, jossa on esitetty modulaarisia induktiivisia komponentteja. US-patentin mukainen ratkaisu eroaa kuitenkin hakemuksen mukaisesta ratkaisusta esimerkiksi siinä, että US-patentissa 30 modulien kasausvaiheessa vierekkäiset osat eivät ole liitetty toisiinsa sydämistään, vaan sydämen ympärillä olevista koteloistaan. Tällöin vierekkäiset/päällekkäiset paketit tukeutuvat toisiinsa kotelojensa sivuista, kansista tai pohjista, mutta itse sydämet eivät tukeudu toisiinsa. Nyt esitetyn hakemuksen mukainen ratkaisu on 3 US-patentin mukaista ratkaisua parempi mm. siinä, että hakemuksen mukaisessa ratkaisussa tilaa vievä ja painoa sekä kustannuksia lisäävä kotelo on voitu jättää kokonaan pois, sillä sydämen muoto ja rakenne on sellainen, että sydämet voidaan kiinnittää mekaanisesti suoraan toisiinsa. Samoin jäähdytys on hakemuksen mu-5 kaisessa ratkaisussa US-ratkaisua parempi.

Yleisesti voidaan todeta, etteivät saatavilla olevat tehoelektroniikan suodattimet vastaa hyvin elektroniikassa valloillaan olevaan miniaturisointi- ja pakkaustehok-kuusvaatimuksiin.

10 Tässä esitettävän keksinnön tarkoituksena on tehostaa induktiivisten komponenttien ja niistä koostuvien suodattimien valmistusta sekä parantaa tällaisten suodattimien kompaktiutta. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa, ja keksinnön mukai-15 selle modulaariselle induktiiviselle komponentille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muille sovellutus-muodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnönmukaisella menetelmällä saadaan valmistettua tehokkaasti ja joustavasti 20 erilaisia induktiivisia komponentteja sekä niistä koostuvia kompakteja filttereitä. Tuotantologistiikka on mahdollista saada yksinkertaiseksi. Lisäksi tuotteisiin voidaan vaivatta räätälöidä erilaisia lisäominaisuuksia. Menetelmän mukainen valmistusprosessi on lisäksi helppo automatisoida.

25 Ensisijaisessa sovellusmuodossa induktiivinen komponentti ja tästä koostuva suodatin valmistetaan kytkemällä rinnakkain ja/tai sarjaan pienempiä induktiivisia komponentteja, nk. moduleita. Tällöin täytyy suunnitteluvaiheessa optimoida vain moduli ja itse tuoteperhe syntyy nopeasti skaalaamalla. Samoin tuotannossa saadaan logistisia hyötyjä, kun nimikkeiden määrä vähenee. Näiden modulien sydän 30 valmistetaan nk. Sintermetal-materiaalista, jonka hyvien mekaanisten ominaisuuksien johdosta muuntajasydäntä voidaan käyttää myös induktiivisen komponentin ja tällaisesta koostuvan suodattimen mekaniikkana tai mekaniikan osana. Moduleihin voidaan suunnitella ja valmistaa mm. erilaisia kiinnitysrakenteita tai kiinnitysraken- 4 teen osia, jolloin moduleja voidaan liittää mekaanisesti toisiinsa käyttäen modu-lisydämiin integroituja kiinnikkeitä.

Toisessa sovellusmuodossa osa moduleista pitää sisällään myös elektroniikkaa, 5 jolloin menetelmällä saadaan valmistettua kompakti tehoelektroninen konvertteri.

Kolmannessa sovellusmuodossa elektroniikka on integroitu induktiivisten perus-modulien sisälle.

10 Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten suuntaa-antaviin kuviin, joista:

Kuvassa 1 on kuristimen piirrossymboli, jolla kuristimella on kaksi terminaalia sekä sydän, 15

Kuvassa 2 on suodattimen piirrossymboli, jossa suodattimessa on kuristin, kondensaattori ja tulo- sekä lähtöportti,

Kuvassa 3 on kolmivaiheinen suodatin, jossa on kuristimia ja kondensaattorei- 20 ta,

Kuvassa 4 on tehoelektroninen konvertteri, jonka tulossa on suodatin ja läh dössä on suodatin, ja jossa lähtösuodattimessa on liitynnät konvertterin välipiirin plus-ja miinusnapoihin, 25

Kuvassa 5 on du/dt-suodattimen tulo- ja lähtöjännitteen käyrämuoto sekä sini-filtterin tulo- ja lähtöjännitteen käyrämuoto,

Kuvassa 6 on 3-vaiheinen kuristin, jossa on käämit ja yhteinen sydän,

Kuvassa 7 on 3-vaihekuristin, jossa käämit on käämitty erillisille sydämille, 30 5

Kuvassa 8 on kuvattu kuristin, jolla on tuioterminaali ja lähtöterminaali ja joka koostuu yhdestä tai useammasta modulista ja terminaalien liitoksesta sekä mekaniikan liitoksesta, 5 Kuvassa 9 modulit on aseteltu kolmiulotteiseksi asetelmaksi,

Kuvassa 10 modulien välissä on jäähdytysrako,

Kuvassa 11 modulien joukossa on jäähdytysmoduli, 10

Kuvassa 12 on esitetty suuntaa-antavasti modulin pyörähdyssymmetrinen halki-leikkaus, joka koostuu käämistä, sydämestä ja eristeestä,

Kuvassa 13 on yksivaiheinen sydän, jossa on keskitappi sekä joukko reunatap- 15 peja ja kiinnitysreikiä,

Kuvassa 14 on 3-vaiheinen sydän, jossa on tappi ja kiinnitysreikä,

Kuvassa 15 on käämi, eristepuolikas ja sydänpuolikas, 20

Kuvassa 16 on koottu moduli, jossa on eristeosan kiinnike, eristysosan kiinnikkeillä liitetty modulikokoonpano ja modulaarinen kuristin, jossa on liitin ja kondensaattori, 25 Kuvassa 17 on modulaarinen rakenne, jossa on kiinnityselementti ja

Kuvassa 18 on esitetty useasta eri palasta koostuva Sintermetal-sydän, jossa on kiinnike-elementti.

30 Kuvassa 1 on esitetty yksinkertaisimman induktiivisen komponentin, kuristimen piir-rossymboli. Kuristin 1 eli induktanssi, koostuu käämistä, jolla on kaksi terminaalia eli napaa 2 ja 3. Useimmiten kuristimella 1 on myös magneettisesta materiaalista kuten ferriitistä tai raudasta koostuva sydän 4. Kuristin varastoi energiaa magneet- β tikenttäänsä ja tätä energiaa voidaan lisätä tai poistaa terminaalien kautta. Mutkikkaammissa induktiivisissa komponenteissa, esim. muuntajissa voi olla useampiakin käämejä, jolloin energiaa voidaan siirtää eri käämien terminaalien välillä. Tämä keksintö käsittää myös tällaiset monimutkaisemmat induktiiviset komponentit. 5 Usein piirrossymbolista jätetään sydän 4 piirtämättä.

Nk. suodatin 5 on mahdollista saada aikaan mm. kytkemällä kuristin 6 yhteen kondensaattorin 7 kanssa kuvan 2 mukaisesti. Tällaisella suodattimena on mahdollista esim. estää suurtaajuisten häiriöiden eteneminen tuloportista 8 lähtöporttiin 9.

10

Tehoelektroniikassa, erityisesti suuremmilla tehoilla (esim. >10kW) on tyypillistä käyttää kolmevaiheista järjestelmää. Kolmivaihejärjestelmän suodatin 10 koostuu kunkin vaiheen kuristimista 11 ja kondensaattoreista 12. Kuvassa 3 on kondensaattorit 12 kytketty nk. tähtikytkentään, mutta ne voisivat olla jossain muussakin 15 kytkennässä, kuten kolmiokytkennässä. Lisäksi suodattimen vaiheiden lukumäärä voisi olla muukin kuin 1 tai 3. Kuvan 3 kondensaattorit 12 voivat fyysisesti koostua useista erillisesti kondensaattoreista.

Kuvassa 4 on kuvattu tehoelektroninen konvertteri 18, joka on kytketty tuloon 14 20 suodattimen 15 välityksellä ja lähtöön 16 suodattimen 17 välityksellä. Konvertteri voisi olla esimerkiksi tasasuuntaaja, vaihtosuuntaaja tai taajuusmuuttaja, jolloin tulo 14 olisi sähköverkko ja lähtö 16 olisi kytketty kaapelin välityksellä sähkömoottoriin. Vaihtoehtoisesti tulo 14 voisi olla kytkettynä generaattoriin ja lähtö 16 voisi olla kytkettynä sähköverkkoon. Lähdön 16 suodatin 17 on kytketty kondensaattorien 25 välityksellä konvertterin 13 välipiirin plusnapaan 18 ja miinusnapaan 19. Tällöin energiaa voidaan tehokkaasti siirtää optimaalisella tavalla tulon 14, lähdön 16 ja konvertterin 13 välillä. Lisäksi sähkömagneettisia häiriöitä on mahdollista vaimentaa tehokkaasti. Kuvan 4 kytkennät ovat esimerkinomaisia. Filttereitä voidaan konfiguroida useilla eri tavoilla riippuen sovelluksesta. Lisäksi liitynnät filtteristä 17 30 konvertterin 13 välipiirin + ja - napoihin 18, 19 voidaan tehdä muillakin keinoin kuin kondensaattorilla. Samoin konvertteri 13 voisi olla myös 1-vaiheinen.

7

Kuvassa 5 on esitetty esimerkkejä moottorikäyttösovelluksissa suodatetuista käyrämuodoista. Niin kutsuttu du/dt-suodatin loiventaa tulojännitteen 20 nousunopeut-ta (tyypillisesti 5kV/us) hitaammaksi lähtöjännitteeksi 21 (tyypillisesti 1kV/us). Tällainen suodatus vähentää moottorin ylijännitteitä ja siten eristevaurioita ja laakeriviko-5 ja pitkiä moottorikaapeleita käytettäessä. Toisessa esimerkissä pulssileveysmodu-loitu tulojännite 22 suodatetaan sinimuotoiseksi lähtöjännitteeksi 23. Tällöin moottorin hyötysuhde paranee ja häiritsevä äänentaso alenee. Näiden sovellusten lisäksi voidaan mainita harmonisten virtojen suodatus. Lisäksi tällaisia suodattimia voidaan kytkeä yhteen esimerkiksi nk. LCL-suodattimeksi, jolla siirretään energiaa 10 taajuusmuuttajalla sähköverkkoon. LCL-filtterin kuristinasteet voivat koostua 1- tai 3- vaiheisista kuristimista. Edellä kuvattujen suodattimien lisäksi keksintöä voidaan soveltaa myös muuntajien valmistuksessa esimerkiksi, jos taajuusmuuttajan lähtö-jännitettä halutaan nostaa korkeammalle tasolle.

15

Kuvassa 6 on esitetty eräs 3-vaiheisen kuristimen 24 toteutustapa. Tässä kuristimen kolme käämiä 25 on käämitty yhteiselle, kolmitolppaiselle sydämelle 26. Näin 3-vaiheiselle kuristimella saadaan mekaanisesti kiinteä rakenne. Lisäksi rakenteella voidaan hyödyntää sitä 3-vaihejärjestelmän ominaisuutta, että toiminnallisten 20 virtojen summa on nolla, jolloin sydänmateriaalin kokonaismäärä laskee, kun kunkin käämin magneettivuo voi kulkea kahden muun käämin kautta, eikä omaa vuon-paluureittiä tarvita kullekin käämille. Vastaavasti tähän rakenteeseen liittyy se ongelma, että tällä ei ole merkittävää induktanssia ei-toiminnallisia, nk. parasiittisia, häiriövirtoja vastaan, joita myös haluttaisiin usein suodattaa.

25

Kuvassa 7 on esitetty toinen 3-vaiheisen kuristimen 27 toteutustapa. Tässä kukin vaihe on käämitty 28 omalle sydämelleen 29. Tämä vaihtoehto vaatii hieman enemmän sydänmateriaalia, koska jokaisella vaiheella on oma magneettivuon pa-luureitti. Kuitenkin tällainen järjestely tarjoaa huomattavan vaimennuksen myös ei-30 toiminnallisia eli parasiittisia häiriövirtoja vastaan.

Kuvan 8 kuristin 30 on koottu kytkemällä pienempiä kuristinmoduleita 31 yhteen. Yksinkertaisimmillaan tämä voidaan suorittaa kytkemällä rinnankytkettävien modu- 8 lien tuloterminaalit 32 keskenään yhteen ja vastaavasti kytkemällä lähtöterminaalit 33 keskenään yhteen käyttäen jotain soveliasta kytkentämenetelmää 36, kuten juottamista, ruuvaamista, niittaamista tai muuta yleisesti tunnettua menetelmää. Samoin kuristinmodulien 31 mekaniikka liitetään toisiinsa 35 käyttäen jotain soveli-5 asta menetelmää. Näin voidaan eri virta-arvoille suunnitella ja valmistaa nopeasti sopiva kuristin käyttäen esimerkiksi testattuja ja optimoituja perusmoduleita. Näitä perusmoduleita voi kuristimessa olla yhden tai useammanlaisia.

Kuvassa 9 esitetään kuuden modulin 39 kolmiulotteinen asetelma 37. Moduleja 10 voitaisiin kytkeä yhteen usealla eritavalla. Esimerkiksi kaikki modulit voitaisiin kytkeä sähköisesti rinnakkain, jolloin saataisiin yksi suurivirtainen moduli. Toinen ääripää olisi jättää modulit sähköisesti kytkemättä keskenään, jolloin saataisiin kokoonpano, jossa on 6 pienivirtaista kuristinta. Käytännössä todennäköisempi kytkentä voisi olla kytkeä aina kaksi modulia sähköisesti rinnan, jolloin saataisiin kol-15 mivaiheinen kuristin.

Olennaista on siis, että yksittäisten modulien sydämen mekaniikka muodostaa myös modulaarisen induktiivisen komponentin mekaniikan. Toisin sanoen kokoonpanoprosessi koostuu kaikkien modulien mekaanisesta yhteenliittämisestä ja säh-20 köisen toiminnan kannalta tarkoituksenmukaisten modulien sähköisestä yhteenliittämisestä tarkoituksenmukaisella tavalla. Tällainen kokoonpanoprosessi on tehokas ja joustava. Kokoonpano voidaan suorittaa vaihtoehtoisesti vaiheittain siten, että ensin tehdään kaikkien modulaarisen kuristimen vaatimien modulien kokoonpano ja mahdollisesti testaus ja sitten vasta modulaarisen kuristimen kokoonpano 25 tai siten, että modulitkin kootaan fyysisesti vasta modulaarisen kuristimen kokoonpanon edistyessä.

Modulaarisella rakenteella on myös muita etuja. Esimerkiksi, koska yksittäisen modulin virta on pienempi kuin koko modulaarisen kuristimen virta, on modulissa 30 käytettävä käämilanka mahdollista suunnitella sangen ohueksi verrattuna rinnankytkettyjen modulien yhteenlaskettuun käämipinta-alaan. Tämä pienentää käämien suurtaajuus eli AC-resistanssia, mikä pienentää häviöitä.

9

Moduli voidaan lisäksi konfiguroida eri jännitteille (% of Unom) esim. kytkemällä käämin osat rinnakkain tai sarjaan. Tätä voidaan käyttää esim. konfiguroitaessa moduli 400VAC tai 690VAC jännitteelle.

5 Useampiasteisen suodattimen kuten LCL-filtterin suodatinasteet voidaan keksinnön mukaisella menetelmällä integroida yhdeksi mekaaniseksi kokonaisuudeksi.

Lisäksi, koska moduleiden 40 väliin on mahdollista jättää kuvan 10 mukaisesti jäähdytysrakoja 41, eli pieniä välejä sopiviin paikkoihin ilmankiertoa varten, on 10 moduleista koostuvan kuristimen jäähdyttävä kokonaispinta-ala saatavissa huomattavasti suuremmaksi kuin vastaavan perinteisen kuristimen, jolloin vastaavasti voidaan suunnittelussa käyttää korkeampaa virran- ja häviötehotiheyttä, jolloin saadaan edullisempi filtteri.

15 Toinen vaihtoehto jäähdytyksen tehostamiseen on käyttää kokoonpanossa kuvan 11 mukaisesti modulien 42 joukossa erityisiä jäähdytysmoduleita 43. Näissä voi olla esimerkiksi neste-, peltien- tai ’’phase change-” jäähdytys. Jäähdytysrakenteet, kuten nestejäähdytyskanavat, voitaisiin kuitenkin integroida myös suoraan kuris-tinmoduleihin. Esimerkiksi moduleihin voidaan suunnitella erilaisia jäähdytysraken-2 0 teitä, kuten jäähdytysripoja ja nestejäähdytyskanavia.

Jäähdytysmodulin 43 lisäksi tai sijasta modulien 42 joukkoon lisättävä moduli voisi olla myös kondensaattorimoduli tai elektroniikkamoduli, erityisesti tehoelektronisia kytkentöjä sisältävä moduli.

25

Kuvassa 12 on esitetty modulin pyörähdyssymmetrinen halkileikkaus 44, joka koostuu sydämestä 46 (tai sydämen osista), käämistä 45 ja eristeestä 47 . Eriste voi olla käämissä, sydämessä tai se voi olla erillinen osa, kuten kelarunko tai useammassa näistä osista. Modulissa voi lisäksi olla kiinnikkeitä sen koossa pitämi-30 seksi ja liittämiseksi muihin moduleihin, filtterin osiin tai ulkoisiin osiin. Esimerkiksi sydänpuolikkaat pysyvät yhdessä eristekelarungossa olevien kynsimäisten clipsien avulla tai vaihtoehtoisesti sydänpuolikkaat puristetaan toisiinsa pulttia/pultteja käyt- 10 täen taikka jotain muuta yleisesti tunnettua menetelmää kuten lakkausta, liimausta, puristusta tai hitsausta käyttäen.

Sydänmateriaalina on tehokasta käyttää nk. Sintermetal-materiaalia. Se perustuu 5 puristettuun ja sintrattuun metallijauheeseen. Sintermetal-materiaali voidaan prässätä haluttuun muotoon ja valmistettavat muodot voivat olla hyvinkin yksityiskohtaisia, jolloin esim. tehoelektroniikka, jäähdytysrivat ja nestejäähdytys saadaan integroitua moduliin. Tällöin itse kuristin/induktiivinen komponentti toimii jäähdytysele-menttinä. Toinen vaihtoehtoinen sydänmateriaali on rautajauhe, joka koostuu pu-10 ristetusta magneettisesta pulverista.

Kuvassa 13 on esitetty eräs edullinen modulisydämen 48 muoto. Modulin ulkomuoto on neliskanttinen, mikä tekee modulaarisesta kuristimesta kompaktin. Kuitenkin modulin keskitappi 49 on pyöreä, mikä on taas käämiresistanssin ja käämihäviöi-15 den minimoinnin kannalta optimimuoto. Geometriset muodot voivat olla myös muita kuin edellä mainittuja. Reunatapit 50 jättävät käämin näkyviin, mikä parantaa jäähdytystä. Reunatapeissa 50 on myös kiinnitysreikä 51. Modulisydän sisältää siis läpiviennit mekaaniselle kiinnitykselle, jolloin esimerkiksi kierretankoa hyväksikäyttäen modulisydämet voidaan puristaa (ruuvata) mutterien avulla tiukasti. Tällainen 20 rakenne vahvistaa itse itseään. Käämit voidaan yhdistää toisiinsa esim. käyttämällä kiinnitysjenkatankoja virran kuljettamiseen. Modulit voidaan kasata ja kiinnittää esim. jenkatappien ja mutterien, muiden kiinnikkeiden, liimauksen tai hitsauksen avulla.

25 Modulin sydämen geometria voidaan optimoida Sintermetal-prosessille. Esimerkiksi sen pinta-ala ja korkeus voivat olla prosessin kannalta optimaalisia. Modulin sydän voi koostua lisäksi useista eri magneettisesta materiaalista. Esimerkiksi on mahdollista käyttää sydämen nk. keskitapissa korkean saturaatiovuontiheyden ja pienet häviöt omaavaa, mahdollisesti kalliimpaa materiaalia, kuten amorfista rautaa 30 ja muualla Sintermetal-materiaalia sen hyvien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Tällainen nk. komposiittisydän on hinta/suorituskyvyltään parempi kuin mitä yksittäisestä materiaalista koostuva sydän olisi.

11

Kuvassa 14 on esitetty 3-vaiheinen modulin sydän 52. Sydämessä 52 olevat tapit 53 ovat pyöreitä ja rakenteessa on kiinnitysreikiä 54. Valmiit modulit voidaan kytkeä jälkikäteen haluttuun konfiguraatioon kuten 1-vaiheiseksi tai 3-vaiheiseksi.

5 Sydämen osat voivat olla puolikkaita kuten kuvissa 13 ja 14 tai puolikkaan aliosia kuten neljäsosia. Lisäksi sydän voi koostua sektorimaisista viipaleista. Liittämällä päällekkäin tulevia sydämen osia lomittain saadaan aikaiseksi tukeva rakenne. Jättämälle siivujen väliin pieni väli saadaan ilmankiertoa ja jäähdytystä parannettua. Lisäksi modulisydämen puolikkaat voivat koostua erilaisista päällekkäin tulevista 10 projektioista, jolloin Sintermetal-prosessissa vaadittava puristuspinta-ala pienenee. Toisaalta modulisydämen puolikkaan pinta on mahdollista suunnitella siten, että modulisydänten puolikkaiden väliin saadaan erilaisia ilmavälejä modulin kasaus-vaiheessa esimerkiksi siten, että kahden modulipuolikkaan keskinäinen asento asettaa ilmavälin. Toinen mahdollisuus on, että modulipuolikkaat liukuvat osittain 15 toistensa sisälle. Sydänpuolikkaat voi olla siis muotoiltu siten, että ne liukuvat osittain toistensa lomitse sisäkkäin, jolloin saadaan aikaiseksi säädettävä ilmaväli. Muotoilu voi olla myös sellainen, että käännettäessä neliskulmaista sydänpuolikas-ta 90 astetta toiseen puolikkaaseen nähden, saadaan aikaiseksi aina erilainen ilmaväli. Laajan kuristinperheen toteuttamisessa voi olla tarkoituksenmukaista käyt-20 tää useita erilaisia moduleita. Olennaista on, että modulin dimensiot, käämi-ikkunan ja sydänpoikkipinta-alan suhteet ovat sellaiset, että modulin materiaalikustannus minimoituu ja samoin koko kuristinperheen valmistuslogistiikka optimoituu. Ilmarakojen asettamiseen tarvittavia korotuspaloja voidaan integroida suoraan reu-natappeihin myös prässin muottiin asetettavien levyjen avulla.

25

Kuvassa 15 on kuvattu modulin rakennusosat: käämi 55, eriste 56 ja sydän 57. Eristeestä 56 ja sydämestä 57 on esitetty vain puolikas.

Kuvassa 16 on esitetty kasattu moduli 58, jossa eristeosassa on kiinnikerakenne 30 59. Tätä kiinnikettä käyttäen saadaan kaksi modulia 60 liitettyä yhteen, jolloin niiden väliin muodostuu johtokanava 61. Johtokanavaa 61 pitkin voidaan modulaarisen kuristimen 62 modulien käämien päät kuljettaa liittimelle 63. Toisin sanoen käämin päät voidaan viedä kytkentäpisteeseen syntyneitä johtokanavia 61 pitkin.

12

Toinen vaihtoehto modulien sähköiseksi kytkemiseksi on käyttää erillisiä kokooma-kiskoja, joihin käämien päät liitetään. Kokoomakisko voi myös kulkea johtokana-vassa 61. Kuvion 16 kuristimessa 62 on lisäksi joukko kondensaattoreita 64.

5 Rakenteeseen voi olla tarkoituksenmukaista myös lisätä erilaisia päätylevyjä ja välilevyjä modulien väliin, jolloin saadaan aikaiseksi valmiin suodattimen edelleen asentamista varten tarvittavia kiinnitysrakenteita. Nämä voidaan konfiguroida vapaasti pystysuuntaista ja/tai vaakasuuntaista kiinnitystä varten.

10 Modulisydän voidaan toteuttaa siten, että se täyttää nk. suojaeristysvaatimukset, jolloin koko modulaarinen komponentti on suojaeristetty, eikä ulkoista kotelointia tarvita.

Fillterin kanssa samaan mekaaniseen kokonaisuuteen voidaan integroida myös 15 muuta elektroniikkaa, erityisesti tehoelektroniikkaa, jolloin saadaan kompakti teho-elektroninen kokonaisuus esimerkiksi energian verkkoon syöttämistä varten. Jopa generaattori tai moottori voidaan integroida tähän samaan kokonaisuuteen. Sy-dänpuolikkaan tai sen osan sisällekin voidaan integroida elektoniikkaa. Esimerkiksi Sintermetal-coreen voidaan jättää onkalo, jonne voidaan asentaa muuta elektro-20 nilkkaa.

Kuvassa 17 on esitetty miten modulaariseen rakenteeseen 65 voidaan integroida erilaisia kiinnityselementtejä 66 esimerkiksi seinään kiinnitystä varten. Kuvassa kiinnitykseen esitetään käytettäväksi laippaa 66, mutta kiinnityselementti voisi olla 25 myös jokin toinen yleisesti tunnettu kiinnitysmenetelmä, kuten DIN-kiskokiinnike. Kiinnitysrakenteet voidaan valmistaa myös kokonaan tai osittain sydänmoduliin.

Modulien valmistuksessa käytettävä Sintermetal-core:kin voi olla tarkoituksenmukaista koota useammasta osasta. Esimerkiksi prässin koko voi olla rajattu siten, 30 ettei haluttua sydäntä saada valmistettua yhdellä kertaa. Kuvassa 18 on esitetty tällainen sydän 67. Se on valmistettu osista 68, 69 ja 70. Osat 68 ja 69 on liitetty toisiinsa esimerkiksi liimaamalla, juottamalla tai muulla yleisesti tunnetulla liittä- 13 mismenetelmällä. Osat 70 ja 69 on liitetty toisiinsa käyttäen lisäksi kiinnitysele-menttiä 71, joka kiinnittää osat 70 ja 69 toisiinsa.

Claims (10)

1. Menetelmä N-vaiheisen modulaarisen induktiivisen komponentin valmistamiseksi ainakin sydämestä (4, 26, 29, 46, 48, 52, 57, 67), käämistä (25, 28, 45, 55) ja 5 eristeestä (47, 56) koostuvista moduleista, tunnettu siitä, että modulit liitetään mekaanisesti toisiinsa liittämällä modulien sydämet keskenään yhteen ja tarvittaessa jätetään modulien väliin ilmarakoja.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että modulaarista 10 induktiivista komponenttia valmistettaessa sydämet sijoitetaan keskenään vierekkäin ja/tai päällekkäin ja kiristetään kiinnitysvälineillä tiukasti yhteen samalla jättäen sydämien väliin tarvittaessa ilmarakoja.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sydämien väliin 15 jätetään ilmarakoja sydämenpuolikkaiden keskinäisten asentojen, korotuspalojen, välilevyjen ja/tai vastaavien elimien avulla.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä valmistettu modulaarinen induktiivinen komponentti, jonka modulit koostuvat ainakin keskitapilla (49, 53) varuste- 20 tusta, sintraamalla tehdystä sydämestä (4, 26, 29, 46, 48, 52, 57, 67), käämistä (25, 28, 45, 55) ja eristeestä (47, 56), tunnettu siitä, että sydän koostuu useammasta kuin yhdestä magneettisesta materiaalista.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tun-25 nettu siitä, että sydän koostuu useasta erikseen puristetusta osasta.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tunnettu siitä, että sydämen keskitapin (49, 53) materiaalin saturaatiovuontiheys on korkeampi kuin sydämen muiden osien materiaalin vuontiheys. 30

7. Patenttivaatimuksen 4, 5 tai 6 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tunnettu siitä, että sydämen keskitapin (49, 53) materiaali on pienempihäviöistä materiaalia kuin sydämen muiden osien materiaali.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 4-7 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tunnettu siitä, että sydämessä (48) on keskitapin (49) lisäksi ainakin yksi tai useampi reunatappi (50) ja keskitapin sekä reunatapit yhdistävä 5 pohja, jotka kaikki osat on valmistettu sintraamalla tai vastaavalla tavalla.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 4-8 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tunnettu siitä, että sydämessä (48) on edullisesti suorakulmion muotoinen pohja, jossa on pyöreä keskitappi (49) ja pohjan nurkissa olevat kiinni- 10 tysrei’illä (51) varustetut, välimatkan päässä toisistaan olevat reunatapit (50).

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 4-9 mukainen modulaarinen induktiivinen komponentti, tunnettu siitä, että eriste on sovitettu muodostamaan johdinka-navan (61).