FI123700B - Induktiivisen komponentin kuristin ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

INDUKTIIVISEN KOMPONENTIN KURISTIN JA MENETELMÄ SEN VALMISTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitetty induktiivisen komponentin, kuten dudt-suodattimen 5 kuristin ja patenttivaatimuksen 11 johdanto-osassa esitetty menetelmä induktiivisen komponentin kuristimen valmistamiseksi .

Dudt-suodattimia käytetään pulssileveysmoduloidun (PWM) jän- 10 nitteen nousu- ja laskureunojen hidastamiseen mm. moottori- käytöissä ja tuuligeneraattoreissa. Tällä pyritään estämään haitallisten ylijännitteiden synty pitkiä moottorikaapeleita käytettäessä. Nimitys dudt tulee termeistä: du (delta u) eli jännitteen muutos ja dt (delta t) eli ajanmuutos. Näin dudt 15 (tai pikemminkin du/dt) tarkoittaa jännitteen muutosta ajan muutosta kohti. Suodatin on alipäästösuodatin ja se koostuu kuristimesta ja kondensaattorista. Yleisesti tunnettuna dudt- suodattimien periaatteena on, että kytkettäessä suodatinku- ristimeen nopeasti muuttuva jännite, suodatinkondensaattori 20 latautuu hitaasti kuristimen läpi, jolloin kondensaattorista saatava lähtöjännite on hitaammin muuttuva. Dudt-suodatin saattaa kuitenkin itse aiheuttaa jänniteylityksen lähtöjän- nitteeseen, sillä myös kuristimeen varastoitunut latauspuls- £2 sin aikainen energia purkautuu kondensaattoriin. Suodattimes- o ^ 25 sa täytyy siis olla vaimennusta, muutoin suodatin itsessään

CO

9 aiheuttaa liian suuren jänniteylityksen lähtöjännitteeseen.

Jänniteylityksen vaimennus voidaan toteuttaa suodatinkonden-x £ saattorin kanssa sarjassa olevan vastuksen kanssa, kuristimen ^ kanssa rinnalla olevan vastuksen avulla, kuristinsydämen hä- oo g 30 viöitä hyväksi käyttäen tai näiden yhdistelmällä, [Paul T.

^ Finlayson, "Output filters for PWM drives with induction mo tors", IEEE, 1997] . Nämä ovat yleisesti tunnettuja tekniikoita. Kuristimien omien häviöiden käyttö jänniteylityksen vai- 2 mennukseen perustuu siihen, että kuristin suunnitellaan hävi-ölliseksi jänniteylitysten taajuudella. Perinteisesti dudt-suodattimen jänniteylityksen vaimennus, sydänhäviöitä tähän käytettäessä, asetetaan kuristimen impedanssin vaiheen avul-5 la. Yleensä sydänmateriaalina käytetään piiteräslaminaattia.

Edelläkuvatunlainen dudt-suodattimien jänniteylitysvaimennuk-sen asettaminen halutulle tasolla on kuitenkin vaikeaa, ellei mahdotonta, sillä impedanssin vaihe asettuu jollekin materi-10 aalin permeabiliteetin, induktanssin, geometristen parametrien ja ilmavälien asettamalle tasolle, eikä perinteisillä dudt-suodattimilla sitä ole enää mahdollista siirtää helposti tältä tasolta. Lisäksi laminoidun sydänrakenteen jäähdyttäminen on vaikeaa, sillä laminoitu rakenne aiheuttaa epäjatku-15 vuuskohdan lämmönsiirtymiselle ja rakenteeseen voi syntyä kuumia pisteitä. Laminoiduilla sydämillä on myös vaikeaa tehdä sopivan muotoisia kuristimia usein geometrialtaan rajattuihin mittoihin, sillä laminoitu rakenne on luonteeltaan kaksiulotteinen eli se toimii hyvin vain rajatuissa suunnis-20 sa. Lisäksi laminoidun piiteräksen ongelmana on, että sen induktanssi laskee taajuuden noustessa. Vaikka laminoidun pii-teräksisen kuristimen induktanssi olisi 50Hz taajuudella sopiva dudt-suodatukseen, se kuitenkin yleensä laskee pienemmäksi taajuudella, jolla dudt-suodatus tapahtuu (esim. 100kHz co o 25 - 1MHz) johtuen piiteräslaminaatin huonoista suurtaajuusomi-

c\j J

co naisuuksista. Tällöin dudt-vaimennus alenee ja tämä täytyy i kompensoida lisäämällä suodatuskondensaattorin kapasitanssia, x mikä nostaa hintaa ja häviöitä, cc

CL

O) oo 30 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epä- LT3 T- kohdat sekä aikaansaada optimaalinen vaimennettu kuristin o c\| käytettäväksi erityisesti dudt-suodattimessa. Yhtenä keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada edullinen ja luotettava menetelmä mainitun kuristimen valmistamiseksi. Tällaisesta 3 kuristimesta koostuvaa suodatinta voidaan käyttää pulssile-veysmoduloidun (PWM) signaalin dudt-suodattamiseen joustavasti. Keksinnön mukaiselle kuristimelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

5 Vastaavasti keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 11 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muille sovellusmuodoille on tunnusomaista se, mitä on esitetty muissa patenttivaatimuksissa.

10 Muita keksinnöllisiä sovellusmuotoja saattaa olla myös esillä tämän hakemuksen selitysosassa. Hakemuksessa oleva keksinnöllinen sisältö voidaan määritellä myös toisin kuin jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa tehdään. Lisäksi voidaan todeta, että ainakin jotkin alivaatimusten piirteistä voidaan ai-15 kakin sopivissa tilanteissa katsoa keksinnöllisiksi sellaisinaan .

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on muun muassa se, vaimennetun dudt-suodattimen jänniteylitysvaimennusta voidaan sää-20 tää helposti. Lisäksi suodatinta voidaan jäähdyttää tehokkaasti ja sen valmistaminen on joustavaa ja tehokasta. Lisäksi tällainen suodatin on kompakti ja se mahtuu pieneen tilaan .

co o 25 Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin sovellutusesi-

CvJ

co merkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa o 1^ x kuvio 1 esittää LC-alipäästösuodattimen kytkentäkaaviota,

CC

CL

g) kuvio 2 esittää erään yleisesti tunnetun dudt-suodattimen co g 30 lähtöjännitettä, δ kuvio 3 esittää erään yleisesti tunnetun dudt-suodatin kuristimen kokeellisesti mitattua impedanssin vaihetta taajuuden funktiona, 4 kuvio 4 esittää suuntaa-antavasti vaimentamattoman dudt-suodattimen tulo ja lähtöjännitteiden muotoa, kuvio 5 esittää mitattuja piiteräs laminaatin ja keksinnön mukaisen dudt-suodattimen sydänmateriaalin permea-5 biliteettia taajuuden funktiona, kuvio 6 esittää kuristimen rakenneosia, käämiä ja sydäntä ilmaväleineen, sekä PWM-signaalin muodostamista tasa j ännitelähteen ja kytkimen avulla, kuvio 7 esittää vaimentamattoman dudt-suodattimen tulo- ja 10 lähtöjännitettä sekä kuristimen virtaa, kuvio 8 esittää sydämeen indusoituvia pyörrevirtoja, kuvio 9 esittää täysin vaimennetun dudt-suodattimen tuloja lähtöjännitteitä sekä resistiivistä kuristimen virtaa, 15 kuvio 10 esittää keksinnönmukaisen dudt-suodattimen tulo- ja lähtöjännitettä sekä kuristimen induktiivista ja resistiivistä virtaa, kuvio 11 esittää esimerkinomaisesti sydämen rakenneosan läm-pökäsittelyprofiilia, 20 kuvio 12 esittää sydämen rakenneosaa sekä siihen muuttuvan co o magneettivuon indusoimaa pyörrevirtaa, c\j co cp kuvio 13 esittää laminaatista koottua sydäntä, x kuvio 14 esittää keksinnönmukaista sydämen rakenneosaa, cc

CL

σ> kuvio 15 esittää eri kierrosmäärillä mitattuja kuristimen m LO 25 impedanssin vaiheita, o δ ^ kuvio 16 esittää leikkauskuvana päädystä päin katsottuna erästä keksinnön mukaista dudt-suodatinta, 5 kuvio 17 esittää keksinnönmukaisen dudt-suodattimen kuristimen sydämen erästä mahdollista rakenneosaa, jossa on ura, kuvio 18 esittää erästä keksinnönmukaista nestejäähdytettyä 5 dudt-suodatintä ja kuvio 19 esittää erästä keksinnönmukaista ilmajäähdytteistä dudt-suodatintä.

Kuviossa 1 on esitetty dudt-suodattimen 1 kytkentäkaavio, joka koostuu kuristimesta 2 ja kondensaattorista 3. Yleisesti 10 tunnettuna dudt-suodattimen 1 periaatteena on, että kun kuristimen 2 vasempaan päähän kytketään nopeasti vaihtuva jännite 7, kondensaattori 3 latautuu hitaasti kuristimen 2 läpi, jolloin kytkennän oikeasta päästä saadaan hitaammin muuttuva jännite 4. Myös suodattimeen kytkettävän kaapelin kapasitans-15 si voi toimia suodatuskondensaattorina, jolloin erillistä, fyysistä, kondensaattoria 3 ei aina välttämättä tarvita.

Kuviossa 2 on esitetty yleisesti tunnetun dudt-suodattimen 1 lähtöjännitteen 4 käyrämuoto. Nähdään, että lähtöjännitteessä 20 4 on jänniteylitys 5, jota on kuitenkin selvästi vaimennettu. Kuten edellä on jo mainittu, jänniteylityksen vaimennus voidaan toteuttaa suodatinkondensaattorin kanssa sarjassa olevan ” vastuksen kanssa, kuristimen kanssa rinnalla olevan vastuksen o ^ avulla, kuristinsydämen häviöitä hyväksi käyttäen tai näiden

CO

S5 25 yhdistelmällä. Nämä ovat yleisesti tunnettuja tekniikoita, i^

X

£ Kuristimen sydänhäviöiden käyttö jänniteylityksen vaimentami- ^ seen on houkuttelevaa, sillä silloin ei tarvita erillisiä co g vaimennuskomponentteja. Perinteisesti dudt-suodattimen jännien 30 teylityksen vaimennus, sydänhäviöitä tähän käytettäessä, ase tetaan kuristimen impedanssin vaiheen avulla. Kuten yleisesti 6 tunnettua on kuristimen impedanssissa (ZL) induktiivinen ja resistiivinen osa, joista resistiivinen osa kuvaa häviöitä: ZL = jo)L+Rs 5 Induktiivisen ja resistiivisen impedanssin suhde asettaa impedanssin vaiheen, siten että 0° vastaa täysin häviöllistä impedanssia ja 90° täysin häviötöntä. Kuviossa 3 on esitetty 3-vaiheisen piiteräslaminaattikuristimen mitattu impedanssin vaihe 6 taajuuden funktiona. Nähdään, että taajuusalueella, 10 jolla tarvitaan vaimennusta (tässä esim. 100kHz-3MHz), vaihe 6 on noin 54°. Tämä toteuttaa jänniteylityksen vaimennuksen. Vaimennuksen tasoa on kuitenkin vaikea, ellei mahdotonta säädellä, sillä yleisesti tunnetuissa ratkaisuissa kuristimen impedanssin vaihe asettuu tietylle materiaalien ominaisuuksi-15 en ja geometrian määräämälle tasolle, eikä sitä ole mahdollista säädellä vapaasti.

Kuviossa 4 on esitetty katkoviivalla PWM-signaalin nouseva reuna 7 ja yhtenäisellä viivalla suuntaa-antavasti dudt-20 suodattimen lähtöjännite 4. Nähdään, että suodattimen lähtö-jännite 4 muuttuu hitaammin kuin tulojännite eli PWM-jännite 7. Tällöin suodatin tuottaa dudt-vaimennusta/suodatusta. Nähdään kuitenkin, että suodatin aiheuttaa jänniteylityksen 5 co q lähtöjännitteeseen 4, sillä myös kuristimeen varastoitunut c\j qJj 25 latauspulssin aikainen energia purkautuu kondensaattoriin, cp ^ Suodattimessa täytyy olla vaimennusta, muutoin suodatin it- sessään aiheuttaa liian suuren jänniteylityksen lähtöjännit-cc teeseen (kuviossa 5 termi overshoot tarkoittaa mainittua jän-

CD

^ niteylitystä) . Tulojännitteen 7 arvo vaihtelee yleensä 0 ja

LO

° 30 DC-linkin jännitteen välillä PWM-signaalin tahdissa ja jän-

S

^ nitteen ylitys 5 ilmoitetaankin yleensä prosentteina DC- linkin jännitteestä. Maksimaalinen jännitteen ylitys voi olla DC-linkin kokoinen, jolloin jänniteylitys on 100% ja abso- 7 luuttinen lähtöjännitteen huippu on 2 x DC-linkin jännite. Huomionarvoista on siis huomata, että dudt-suodattimessa tulee olla sekä dudt- (nousunopeus) että overshoot- (jännite-ylitys) vaimennusta.

5

Vielä eräs tunnettujen dudt-suodattimien suorituskykyä heikentävä seikka on kuvattu kuviossa 5. Siinä nähdään, että piiteräslaminaatin permeabiliteetti 8 laskee, kun taajuus kasvaa. Sen sijaan keksinnönmukaisen sydänmateriaalin permea-10 biliteetti 9 pysyy vakiona korkeille taajuuksille. Tarkasteltaessa dudt-vaimennusta tätä seikkaa vasten voidaan todeta, että laminoidun piiteräksen ongelmana on se, että sen induktanssi ja siten dudt-vaimennus laskee taajuuden noustessa. Matalilla taajuuksilla kuristimeen saatava induktanssi on ra-15 jallinen ja sitä rajoittaa sydänmateriaalin saturaatio. Tällöin piiteräslaminaattia käytettäessä taajuudella, jolla dudt-suodatus tapahtuu (esim. 10OkHz-lMHz), saavutetaan huomattavasti pienempi induktanssi kuin mitä matalataajuinen saturaatio rajoittaa. Tällöin dudt-vaimennus alenee ja tämä 20 täytyy kompensoida lisäämällä suodatuskondensaattorin kapasitanssia, mikä nostaa hintaa ja häviöitä.

Piiteräslaminaatin edellä kuvatuista ominaisuuksista aiheutuu lisäksi seuraavanlaiset ongelmat: 1) Koska matalataajuinen co o 25 permeabiliteetti on suuri, kasvaa matalataajuinen induktanssi

CNJ

co helposti tarpeettoman suureksi, eikä ole mahdollista käyttää o useampia käämikierroksia kuristinsydämen massan minimoimisek-x si. Koska keksinnönmukaisen sydämen permeabiliteetti on alem-

CL

pi, voidaan käyttää useampia käämikierroksia, jolloin kurisee S 30 tinsydämen massa saadaan minimoiduksi. 2) Piiteräslaminaatti

LO

? toimii suurilla taajuuksilla resistiivisesti eikä induktiivi- o sesti, jolloin suodatin toimii RC- eikä LC-tyyppisenä. Tällöin suodattimessa on tarpeettoman suuret häviöt sekä jyrkkä nousureuna erityisesti nousevan reunan alussa. 3) Piiteräsla- δ minaattiin perustuvan kuristimen ominaisuudet, kuten vaimennus asettuvat tiettyyn tasoon, eikä ominaisuuksia ole helppo säätää mainitusta tasosta johonkin toiseen, paremmin soveltuvaan tasoon.

5

Seuraavassa tarkastellaan aikatasossa sydämen 10 toimimista dudt-suodattimen 1 vaimentavana elementtinä. Kuviossa 6 esitetään kuristin 2, jossa on sydän 10, jossa on ilmaväli 12 sekä käämi 11. Lisäksi kuviossa 6 on esitetty kuinka PWM-10 jännite 7 voidaan muodostaa katkomalla kytkimellä 13 tasajän-nitettä 14. Tällaisen ilmavälillisen kuristimen induktanssiksi voidaan laskea:

L

l i / H

core gapr^r 15

Kun kytkin 13 suljetaan, alkaa kuristimen 2 käämissä 11 kulkea kasvava virta alla olevan kaavan mukaisesti: , Ut

Li 20

Kuviossa 7 on kuvattu vaimentamattoman dudt-suodattimen jännitteiden ja virran käyrämuotoja. Kun suodattimeen kytketään tulojännitteen nouseva reuna 7 hetkellä t_0, alkaa virta 15 ” kasvaa kuristimessa, sillä sen yli vaikuttaa jännite (PWM-tu- o ^ 25 lojännite 7 - lähtöjännite 4) . Tämä virta alkaa myös ladata

CO

S5 lähtökondensaattoria, jolloin lähtöjännite 4 alkaa nousta, n- Jännite kuristimen yli (PWM-tulojännite 7 - lähtöjännite 4) x £ ei siis ole vakio ja kuristimen virta 15 kasvaa ainoastaan g siihen hetkeen asti, kunnes lähtöjännite 4 on latautunut tu- oo g 30 lojännitteen 7 kanssa samaan arvoon, eli hetkeen t_l asti.

° Kuristimen 2 virta 15 ei voi tuolla hetkellä sammua äärettö män nopeasti, vaan se alkaa alentua kuristimen 2 energian kulkeutuessa kuviossa 1 esitettyyn lähtökondensaattoriin 3.

9 Lähtökondensaattori 3 latautuu kuristimesta 2 virtaavan energian ansiosta ja syntyy jänniteylitys 5. Kuristimen 2 virta 15 on nolla hetkellä, jolloin lähtökondensaattorin 3 jännite 4 on 2 x tulojännite 7, eli hetkellä t_2. Tämä ilmiö aiheut-5 taa haitallisen jänniteylityksen 5. Jänniteylitys aiheutuu siis siitä, että kuristimeen 2 varastoitunut energia purkautuu kondensaattoriin 3.

Kuviossa 8 esitetään kuinka homogeeniseen, eristetystä rauta-10 jauheesta puristettuun sydämeen 10 indusoituu pyörrevirtoja 16. Nähdään, että toisin kuin laminoidussa rakenteessa, nämä kulkevat rakenteessa tasaisesti. Syynä on se, että sydämen 10 materiaalin ominaisvastus eli resistiivisyys on rajallinen ja käämiin 11 kytketyn jännitteen 7 indusoiva muuttuva magneet-15 tivuo 20 saa indusoitua sydämeen 10 virran, joka pyrkii kumoamaan sydämeen 10 indusoituneen vuon 20. Pyörrevirrat 16 heijastuvat käämiin 11, kuten muuntajan toisiovirta eli niiden indusoima käämivirta 17 kertaa käämin 11 kierrokset on yhtä suuri kuin pyörrevirta 16. Toisin sanoen käämiin 11 hei-20 jastuva virta 17 pyrkii kumoaa pyörrevirtojen 16 aiheuttaman vuon 29. Käämiin 11 syntyneen virran 17 amplitudi on suoraan verrannollinen käämin 11 yli vaikuttavaan jännitteeseen, eikä siinä ole induktiiviselle komponentille tyypillistä aikaviivettä. Käämiin 11 syntynyt virta 17 noudattelee kaavaa I = co o 25 U/R, missä R on rakenteen ekvivalenttinen resistanssi.

c\j

CO

o

Kuviossa 9 esitetään sellaisen dudt-suodattimen jännitteiden x ja virran käyrämuoto, jossa kulkee pelkkä pyörrevirtojen 16 Q.

aiheuttama resistiivisluonteinen käämivirta 17. Tällainen ti-σ> co 30 lanne voisi syntyä esimerkiksi, jos kuristimen 2 induktanssi

LO

T- olisi ääretön. Nähdään, ettei tässä tapauksessa esiinny lain- oj kaan janniteylitystä 5. Tämä johtuu siitä, ettei pyörrevir-toihin 16 liity energian varastoitumista samoin kuin induktiiviseen virtaan 15. Samoin pyörrevirtojen 16 käämiin 11 in- 10 dusoiman virran 17 amplitudi on suoraan verrannollinen käämin yli vaikuttavaan jännitteeseen, joten hetkellä t_l, kun suodattimen lähtöjännite 4 on yhtä suuri kuin tulojännite 7 eli kun kuristimen 2 yli vaikuttava jännite on nolla, myös pyör-5 revirtojen 16 indusoima käämivirta 17 on nolla, eikä jänni-teylitystä 5 synny lähtöjännitteeseen 4.

Kuviossa 10 on sellaisen keksinnönmukaisen vaimennetun dudt-suodattimen jännitteiden ja virran käyrämuodot, joissa induk-10 tiivisen virran 15 ja resistiivisen virran 17 vaikutus lähtö-jännitteen 4 muodostumiseen on yhdistetty. Nähdään, että koska resistiivinen virta 17 lataa myös kondensaattorin jännitettä, ei kuristimen jänniteylitys 5 pääse kovin isoksi. Toisin sanoen pyörrevirrat 16 voidaan ajatella kuristimen 2 rin-15 nalla olevana vastuksena, jonka kautta kondensaattori 3 myös latautuu. Tällöin kuristimen 2 induktiivinen virta 15 ei kasva niin isoksi kuin ilman tällaista vastusta ja jänniteylitys 5 jää pienemmäksi. Huomionarvoista on myös, että pyörrevirrat 16 pyrkivät kumoamaan kuristimen 2 impedanssin induktiivista 20 komponenttia, joten resistiivisen häviön tulee olla vain riittävän suuruinen, ettei induktiivisen komponentin osaltaan tuottama dudt-vaimennus häviä liiaksi. Itse asiassa hyvän jänniteylitysvaimennuksen kannalta impedanssin induktiivisen osan tulee olla mieluummin suuri kuin pieni. Tällöin induk-oo o 25 tiivinen virta 15 kasvaa hitaasti ja resistiivinen, ei jänni-

c\j J J

co teylitystä aiheuttava virta 17 ehtii ladata kondensaattoria 3 o sopivassa määrin. Usein ei myöskään ole tarkoituksenmukaista, x että resistiivinen virta 17 on liian dominoiva, koska tällöin cc

CL

lähtöjännitteen 4 nousunopeus voi helposti olla liian suuri o co 30 eli dudt-suodatus on alhainen. Resistiivistä virtaa 17 ja in to T- duktiivista virtaa 15 sekä niiden suhdetta tulisi siis pystyä

CM

säätämään. Keksinnön mukaisesti induktiivisen virran 15 ja resistiivisen virran 17 suhdetta säädetään siten, että suhde on välillä 1:10-10:1.

11

Keksinnönmukaisen dudt-suodattimen 1 induktiivista latausvir-taa 15 ja resistiivistä latausvirtaa 17 voidaan säädellä käyttämällä sydänmateriaalina eristetystä metallipulverista 5 puristettuja rakenneosia 19 sekä muuttamalla sydänmateriaalin ominaisuuksia sekä sen rakenneosien 19 dimensioita.

Erityisesti voidaan hyödyntää sitä, että rautajauheesta puristetut magneettisydämet on tapana lämpökäsitellä, jolloin 10 niiden hystereesihäviöt pienenevät. Samalla niiden resistii-visyys kuitenkin laskee. Dudt-suodatinta 1 varten voidaan käyttää erityisesti optimoitua lämpökäsittelyprofiilia, jolla saavutetaan optimaalinen permeabiliteetti ja resistiivisyys. Permeabiliteetilla voidaan vaikuttaa induktiivisen impedans-15 sin suuruuteen ja resistiivisyydellä resistiiviseen impedanssiin. Kuviossa 11 on esitetty suuntaa-antavasti eräs tällainen lämpökäsittelyprofiili 18, jossa sydämen rakenneosaa 19 pidetään erilaisissa lämpötiloissa Tl, T2 erilaisia aikoja t_l, t_2. Käytettävät lämpötilat Tl, T2, ... TN ovat esimer-

20 kiksi välillä +200...+800°C ja pitoajat t_l, t_2, ... t_N

ovat esimerkiksi välillä 10...120 minuuttia.

Kuviossa 12 on esitetty eristetystä metallijauheesta puris- tettu ja lämpökäsitelty sydämen rakenneosa 19. Koska pyörre- o 25 virtahäviöt noudattelevat kaavaa: c\j

CO

cp f"' Peddy = f ( T^core/E-bulk)

X

X

Q.

voidaan myös sydämen fyysistä kokoa ja resistiivisyyttä sää-o

LO

oo 30 tamalla saavuttaa haluttu jännitteenylityksen 5 vaimennus.

LO

o >- Valmistusteknisesti on edullista valmistaa pulverista puris-

CNJ

tamalla niin suuria rakenneosia 19 kuin mahdollista. Dudt-suodattimen 1 vaimennuksen ja valmistuksen kannalta on kuitenkin edullista, että puristettava rakenneosa 19 on pitkän- 12 omainen ja että se asennetaan siten, että siinä kulkeva magneettivuo 20 kulkee maksimaalisen eli rakenneosan 19 suurimman pinta-alan läpi, jolloin pyörrevirtojen 16 aiheuttamat häviöt maksimoituvat halutuissa rajoissa, esimerkiksi siten, 5 että häviöt ovat välillä, joka aiheuttaa 20-80% jänniteyli-tyksen. Tällaisella kulmikkaalla rakenneosalla 19 toteutettu suodatin on myös kompaktimpi kuin esimerkiksi toroidisydän, koska toroidisydämen pyöreä muoto ei sovi optimaalisesti useimmiten suorakaiteen muotoiseen laitekoteloon. Laminaatti-10 sydän täytyisi myös asentaa siten, että laminaattien suunta olisi yhteneväinen vuon 20 kulkusuunnan kanssa, mikä rajoittaisi kuristimen 2 sydämen 10 kokoonpanomahdollisuuksia. Sen sijaan eristetystä rautajauheesta valmistetut sydämen rakenneosat 19 voidaan asentaa vapaasti, sillä niissä vuo 20 voi 15 kulkea vapaasti kaikkiin suuntiin. Kun sydämen 10 rakenneosan 19 puristussuunta on ylhäältäpäin, voidaan leveys- ja pituusmittoja A ja B muuttaa puristustyökalua muuttamalla tai asettamalla puristustyökaluun adapteriosia. Sen sijaan korkeus-mittaa C voidaan muuttaa puristusprosessin aikana materiaali-20 määrää ja iskunpituutta muuttamalla. Tämä on erittäin joustava menetelmä. Samoin materiaalin tiheyttä voidaan säätää materiaalin määrää ja iskun pituutta säätämällä.

Asennuksissa käytetään eripituisia kaapeleita moottorin/gene-o 25 raattorin ja konvertterin lähtöön kytketyn dudt-suodattimen co välillä. Esimerkiksi tuuligeneraattoreissa kaapelin pituus on i tyypillisesti 80-100m. Kaapelin pituus vaikuttaa kaapelin ka-x pasitanssiin ja siten myös dudt-suodattimen toimintaan. Kaa-

CL

pelipituuden kasvaessa ja siten kaapelikapasitanssin kasvaes-cn oo 30 sa stabiilina pysyvä permeabiliteetti edesauttaa induktanssin 2 säilymistä ja sitä kautta keksinnön mukaisessa rautasydämessä

CM

oleva magneettivuon tiheyden muutosnopeus dB/dT pysyy suurena suhteessa piilaminaattiteräksessä saavutettuun muutosnopeuteen. Suuri magneettivuon tiheyden muutosnopeus on puolestaan 13 suoraan verrannollinen rautasydämen vaimennuskykyyn, jolloin rautasydän pystyy vaimentamaan paremmin, vaikka sydämessä rautaa onkin vähemmän, eli keksinnön mukainen rautasydän voi olla kooltaan kompaktimpi kuin tunnetun tekniikan mukaiset 5 rautasydämet. Tämän ominaisuuden ansiosta jänniteylitys pysyy stabiilina vaikka kaapelin pituus kasvaa -kuitenkin vain tiettyyn rajaan asti.

Keksinnön mukaisen rautasydämen materiaalille on ominaista 10 se, että materiaalin permeabiliteetti pysyy arvossaan suurellakin taajuudella, jolloin magneettivuon tiheyden muutosta ja sen aiheuttamia pyörrevirtoja ja edelleen niiden aiheuttamia häviöitä tapahtuu suurellakin taajuudella halutulla tavalla.

15 Vastaavasti piilaminaattiteräksellä toteutetussa, tunnetun tekniikan mukaisessa dudt-suodattimessa jänniteylitys pyrkii muuttumaan hallitsemattomasti kaapelipituuden muuttuessa johtuen vaimennusta dominoivien pyörrevirtojen liian suuresta suhteellisesta osuudesta, jolloin magneettivuon tiheyden muu-20 tosnopeus dB/dT on liian pieni.

Käytännössä vaimennettu dudt-suodatin voidaan suunnitella ja valmistaa iteratiivisesti siten, että rakenneosista 19 raken- £2 netaan suodatin 1 ja mitataan sen tuottama jännitteen käyrä- 0 ^ 25 muoto käytännön sovelluksessa. Tämän jälkeen: 1) rakenneosien

CO

S3 19 suuntia muutellaan, 2) rakenneosia 19 vaihdetaan toisen kokoisiin rakenneosiin, 3) rakenneosia 19 vaihdetaan toisella £ tavalla lämpökäsiteltyihin rakenneosiin, 4) rakenneosia 19 ^ vaihdetaan toisesta materiaalista valmistettuihin rakenneo- co g 30 siin ja niin edelleen sekä tarkastellaan näiden muutosten ^ vaikutusta jännitteen käyrämuotoihin. Tällä tavoin saadaan selville kokeellisesti kussakin sovelluksessa parhaiten sopi- 14 va rakenneosakonfiguraatio, jonka pohjalle suodatin 1 perustuu .

Eristetyistä rautapartikkeleista koostuva rakenne tuo sydä-5 melle 10 myös korroosion kestävyyttä, sillä korroosio pysähtyy partikkelin eristykseen, kun se laminaatissa etenee vapaasti laminaatin suunnassa. Kuviossa 13 on esitetty laminaa-tista koostuvan sydämen 10 rakenne. Nähdään tosiaan, että siinä korroosio voisi edetä vapaasti yksittäisissä laminaa-10 teissä 21, sillä laminaateissa on eristys 22 vain yhdessä suunnassa. Sen sijaan kuviossa 14 esitetään, että keksinnön mukainen eristetystä rautajauheesta puristettu sydän 10 on eristetty luonnostaan kaikkiin suuntiin, sillä sen eristetystä metallijauheesta puristetut rakenneosat 19 on jo luonnos-15 taan eristetty kaikkiin suuntiin.

Voidaan siis sanoa, että keksintö tuo tehokkuutta ja joustavuutta vaimennetun dudt-suodattimen 1 valmistusprosessiin, sillä: 1) valmistettavan rakenneosan 19 pinta-alaa voidaan 20 säätää muotin koolla tai pelkästään muotin iskunpituutta muuttelemalla, 2) valmistettavien rakenneosien 19 permeabili-teettia ja resistiivisyyttä säädellään materiaalivalinnalla, puristusparametreilla sekä lämpökäsittelyprofiililla siten, w että mahdollisimman optimaalinen suhteellinen permeabiliteet- δ ^ 25 ti on esimerkiksi välillä 10-500 ja mahdollisimman optimaali- oo o nen resistiivisyys on esimerkiksi välillä 0,1-50 mQm, 3) ra-

N

·- kenneosien 19 suuntaa voidaan tarpeen mukaan muuttaa kokoon- x £ panovaiheessa, 4) kuristimen 2 sydän 10 kestää korroosiota O) paremmin kuin piiteräslaminaatista valmistettu sydän ja 5) co g 30 vakioitavien rakenneosien 19 käyttö sydämen 10 valmistamises- o sa tuo tuotantoon modulaarisuutta.

C\J

15

Dudt-suodattimen 1 kuristin 2 koostuu sydämestä 10 ja käämistä 11. Myös käämillä 11 on vaikutusta kuristimen 1 toimintaan. Kuviossa 15 esitetään erilaisilla käämeillä 11 varustettujen kuristimien 2 mitattuja impedanssin vaiheita 6 taa-5 juuden funktiona. Olennaista on, että kuristimien 2, joissa on vain yksi käämikierros 23 impedanssin vaihe 6 on korkeampi kuin kuristimien, joissa on kaksi tai useampia käämikierrok-sia 24. Koska vaiheen alhaisuus korreloi vaimennuksen kanssa, voidaan siis todeta, että kaksi käämikierrosta 24 on minimaa-10 linen kierrosmäärä, jolla saadaan maksimaalinen vaimennus. Tällainen kaksi tai useampia kierroksia 24 käsittävä käämi 11 syntyy helposti eristettyä kaapelia tai päällekkäin pinottuja johdelevyjä käyttäen.

15 Koska vaimennettu dudt-suodatin 1 tekee runsaasti häviöitä, on sen jäähdyttämiseen kiinnitettävä erityistä huomiota. Eristetystä rautajauheesta koostuva sydän 10 johtaa lämpöä tehokkaasti sydämen 10 sisältä sen pinnalle. Lämmön haihduttamiseksi sydämen 10 pinnalta on vaiheiden välille hyvä jät-20 tää ilmalle kulkuaukkoja. Tämän takia perinteinen 3-vaiheinen kuristin kannattaa jakaa kolmeksi erilliseksi kuristimeksi, jolloin sydämelle 10 saadaan huomattavasti lisää jäähdytys-pintaa. Samalla myös yhteismuotoinen impedanssi kasvaa, mikä on edullista yhteismuotoisia (common mode) häiriöitä suoda-

CO

0 25 tettaessa. Kuviossa 16 on kuvattu päästäpäin katsottuna haloo kileikkauksena, kuinka kolme erillistä kuristinta 2 on asen to i nettu laitekoteloon 2a siten, että kotelossa kulkeva jäähdy- 1 tysilma jäähdyttää sydämiä 10 tehokkaasti. Samoin käämi 11 on

CC

CL

jäähdytysilmassa, missä se jäähtyy tehokkaasti. Selvyyden O) S 30 vuoksi sydämen 10 yhteyteen on piirretty vain yksi poikki-

LO

leikattu käämi 11, vaikka käämikierroksia todellisuudessa on o useampia. Lisäksi voi olla tarkoituksen mukaista laittaa rinnakkain useampia ohuempia kaapeleita kuin käyttää yhtä paksua kaapelia, sillä tällöin käämi on joustavampi.

16

Kuviossa 17 on esitetty kuinka nestejäähdytys voidaan integroida suoraan rakenneosiin 19 tekemällä niihin tai niiden pinnoille nesteen kulkuaukot, kuten kuviossa 17 näkyvä ura 5 25. Kun kaksi tällaista rakenneosaa 19 laitetaan vastakkain, syntyy reikä, jossa jäähdytysneste voi kulkea vaikka kuviossa 18 näkyvässä putkessa 26, joka jää urien 25 muodostamaan aukkoon .

10 Kuviossa 18 on esitetty keksinnönmukainen dudt-suodatin 1, jossa on sydämeen 10 integroitu nestejäähdytys. Suodattimessa 1 on kolme erillistä sydäntä 10, jotka on asetettu pohjale-vylle 27, ja joiden ympärille on tehty käämitys 11 eristettyä kaapelia käyttäen. Sydämiin 10 on integroitu nestejäähdytys-15 putket 26. Käämityskaapelit 11 puristuvat sydämeen 10 ja jäähtyvät siihen. Käämitys 11 koostuu useasta rinnankytketystä ohuemmasta kaapelista, jolloin saadaan taipuisampi rakenne sekä enemmän jäähdytyspinta-alaa käämityksestä 11 sydämeen 10. Lisäksi kaapelien päät 28 voidaan tehdä sopivan mittai-20 siksi liitettäväksi suoraan optimaalisiin liitäntäpisteisiin laitteistokaapissa ilman erillisiä, liitoksia vaativia ja kalliita, kiskotuksia. Suodatin 1 on edullista valmistaa siten, että ensin liimataan sydämet 10 rakenneosista 19 siten, että nestejäähdytysputket 26 jäävät sydämen 10 sisälle. Sitoo 0 25 ten sydämet 10 asetetaan pohjalevylle 27, kaapelit 11 asete- oö taan sydänten 10 päälle ja kaapelit 11 sekä sydän 10 puriste en r- taan paikalleen pohjalevyä 27 vasten vanteella 30. Lopuksi 1 kaapelin 11 kumpikin pää 28 työnnetään läpi sydämestä 10,

CC

CL

jolloin syntyy kaksi käämikerrosta. Lisäksi voidaan käyttää σ> S 30 lisätukiosia kuristimien 2 pohjalevyyn 27 kiinnitystä varten.

m o δ

Kuviossa 19 esitetään, että vaihtoehtoisesti dudt-suodattimen 1 kuristin 2 voi olla kolmivaiheinen kuristin. Tällöin kolmivaiheisen kuristimen 2 kaikki kolme vaihetta ovat yhteisel- 17 lä kuristinsydämellä 10, kukin omalla pystytolpallaan 10a. Tällöin on edullista tehdä käämit 11 päällekkäin pinotuista levyistä 11a. Kun keskimmäisen vaiheen käämi 11c nostetaan vielä sivumaisten käämien 11b päälle tai lasketaan niiden al-5 le, saadaan tila tehokkaasti käytettyä. Lisäksi sekä käämi 11 että sydän 10 jäähtyy tehokkaasti, kun sydämen 10 ja käämin 11 pinnoilla on laajoja tasomaisia ja paljaita alueita jääh-dytysilman kanssa kontaktointiin.

10 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellus-muodot eivät rajoitu ainoastaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

co δ c\j i

CO

o 1^ x

DC

CL

σ>

LO

co

LO

o δ C\1

Claims (16)

1. Induktiivisen komponentin, kuten kondensaatorilla (3) varustetun dudt-suodattimen (1) kuristin (2), jossa on ainakin 5 sydän (10) ja käämi (11) ja joka kuristin (2) on rakennettu vaimentamaan jänniteylitystä (5) rakenneosista (19) koostuvan sydämen (10) sydänhäviöitä käyttämällä ja säätämällä, tunnettu siitä, että pyörrevirtahäviöillä aikaansaatava ylijännite-vaimennus sekä induktiivisen ja resistiivisen virran suhde on 10 asetettu sydämen (10) rakenneosina toimivien, eristetystä metalli jauheesta puristettujen, olennaisesti särmiön muotoisten rakenneosien (19) magneettivuon (20) kulkusuuntaan nähden kohtisuoralla poikkipinta-alalla, resistiivisyydellä ja per-meabiliteetilla, joissa rakenneosissa (19) magneettivuo (20) 15 on järjestetty kulkemaan ainakin yhden rakenneosan (19) suurimman poikkipinta-alan läpi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuristin (2), tunnettu siitä, että sydänhäviöitä on säädetty suunnittelu-, kokoonpano- 20 ja/tai käyttövaiheessa halutuiksi käyttäen olennaisen homogeenisia rakenneosia (19) sekä käyttäen rakenneosien (19) asentoa, muotoa, materiaalia ja/tai lämpökäsittelyä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kuristin (2), tunnet— 25 tu siitä, että sydän (10) koostuu rakenneosista (19), joissa rakenneosan (19) muodon avulla pyörrevirtojen (16) kulkurei- o tit on valittu siten, että pyörrevirtojen (16) aiheuttamat c\j ^ häviöt ovat välillä, joka aiheuttaa 20-80% jänniteylityksen. o 1^

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen kuristin (2), tun— x £ nettu siitä, että sydänmateriaalin permeabiliteetin arvo on ^ olennaisen vakio kuristimen koko toimintataajuusalueella. oo m o

^ 5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuristin 35 (2), tunnettu siitä, että rakenneosat (19) on lämpökäsitelty optimoidulla lämpökäsittelyprofiililla erilaisissa lämpöti- loissa (Tl, T2, ... TN) erilaisia aikoja (t_l, t_2, ... t_N) mahdollisimman optimaalisen permeabiliteetin ja resistiivi-syyden saavuttamiseksi.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuristin (2), tunnettu siitä, että sydän (10) on koottu kullekin valmistettavalle suodattimelle (1) olennaisesti parhaiten soveltuvan, rakenneosista (19) koostuvan, kokeellisesti ja iteratiivisesti aikaansaadun rakenneosakonfiguraation mukaisesti. 10

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuristin (2), tunnettu siitä, että käämi (11) on tehty useammalla rinnakkain kytketyllä, eristetyllä kaapelilla, ja että käämissä (11) on ainakin kaksi kierrosta. 15

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuristin (2), tunnettu siitä, että sydämeen (10) on integroitu jäähdy-tysnesteputki (26).

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuristin (2), tunnettu siitä, että käämityskaapelien (11) päät (28) on liitetty laitteistokaapissa lopullisiin liitäntäpisteisiin ilman erillisiä, liitoksia vaativia ja kalliita kiskotuksia.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kuris-co o tin (2), tunnettu siitä, että käämi (11) koostuu useista c\j oo päällekkäin kasatuista levyistä (31). o N-

11. Menetelmä induktiivisen komponentin, kuten kondensaato- IX 30 rilla (3) varustetun dudt-suodattimen (1) kuristimen (2) val-σ> oo mistamiseksi, jossa kuristimessa (2) on ainakin sydän (10) ja LO ? käämi (11) ja joka kuristin (2) on rakennetaan vaimentamaan o 00 jänniteylitystä (5) rakenneosista (19) koostuvan sydämen (10) sydänhäviöitä käyttämällä ja säätämällä, tunnettu siitä, että 35 pyörrevirtahäviöillä aikaansaatava ylijännitevaimennus sekä induktiivisen ja resistiivisen virran suhde asetetaan sydämen (10) rakenneosina toimivien, eristetystä metallijauheesta puristettujen, olennaisesti särmiön muotoisten rakenneosien (19) magneettivuon (20) kulkusuuntaan nähden kohtisuoralla 5 poikkipinta-alalla, resistiivisyydellä ja permeabiliteetilla, ja rakenneosissa (19) magneettivuo (20) järjestetään kulkemaan ainakin yhden rakenneosan (19) suurimman poikkipinta-alan läpi.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sydänhäviöitä säädetään suunnittelu-, kokoonpano-ja/tai käyttövaiheessa halutuiksi käyttäen olennaisen homogeenisia rakenneosia (19) sekä käyttäen rakenneosien (19) asentoa, muotoa, materiaalia ja/tai lämpökäsittelyä. 15

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sydän (10) kootaan rakenneosista (19), joissa rakenneosan (19) muodon avulla pyörrevirtojen (16) kulkureitit valitaan siten, että pyörrevirtojen (16) aiheuttamat hä- 20 viöt ovat välillä, joka aiheuttaa 20-80% jänniteylityksen.

14. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sydän (10) kootaan eristetystä metalli-jauheesta puristetuista olennaisen homogeenisista rakenne- 25 osista (19), joiden materiaalin permeabiliteetilla, resistii- o visyydellä ja/tai geometrisillä mitoilla säädetään sydämen oö (10) rakennusvaiheessa valmiin suodattimen (1) kondensaatto- o r-~ rin (3) latautumisen aikaisen induktiivisen virran (15) ja x resistiivisen virran (17) suhdetta. CE ' Q. 30 O Lii oo

15. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 11-14 mukainen o i- menetelmä, tunnettu siitä, että sydämen (10) rakenneosat (19) c\j lampökasitellaan sydämen (10) valmistumisvaiheessa optimoidulla lämpökäsittelyprofiililla erilaisissa lämpötiloissa 35 (Tl, T2, ... TN) erilaisia aikoja (t_l, t_2, ... t_N) mahdol- lisimman optimaalisen permeabiliteetin ja resistiivisyyden saavuttamiseksi .

16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 11-15 mukainen 5 menetelmä, tunnettu siitä, että sydän (10) kootaan kullekin valmistettavalle suodattimelle (1) olennaisesti parhaiten soveltuvan, rakenneosista (19) koostuvan, kokeellisesti ja iteratiivisesti aikaansaadun rakenneosakonfiguraation mukaisesti käyttäen yhtä tai useampia seuraavista vaiheista: 10 - rakenneosista (19) rakennetaan suodatin (1) ja mitataan sen tuottama jännitteen käyrämuoto käytännön sovelluksessa, jonka jälkeen, jos konfiguraatio ei ole haluttujen rajojen sisällä 15. rakenneosien (19) muodostama konfiguraatio puretaan ja rakenneosien (19) suuntia muutellaan - rakenneosia (19) vaihdetaan toisen kokoisiin rakenneosiin - rakenneosia (19) vaihdetaan toisella tavalla lämpökäsi- 20 teltyihin rakenneosiin - rakenneosia (19) vaihdetaan toisesta materiaalista val- m mistettuihin rakenneosiin jne, ja δ C\J i - tarkastellaan yhden tai useamman näiden muutosten aihe- oo o ^ uttamaa vaikutusta jännitteen käyrämuotoihin ja jatke- 25 taan iterointia, kunnes haluttu konfiguraatio löytyy, cc Q_ O) LO oo LO o δ C\l