DE102011113177A1

DE102011113177A1 - Changeable inductance

Info

Publication number: DE102011113177A1
Application number: DE201110113177
Authority: DE
Inventors: Götz-Martin Bertelsmann
Original assignee: Diehl AKO Stiftung and Co KG
Current assignee: PLATINUM GMBH, DE
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-14
Also published as: EP2568483A1

Abstract

Eine veränderbare Induktivität weist wenigstens einen Kern (12) aus einem magnetischen Material und wenigstens eine Wicklung (10), welche den wenigstens einen Kern (12) zumindest teilweise umgibt, auf. Um eine Veränderung des Induktivitätswerts der Induktivität zu ermöglichen, ist außerdem wenigstens ein Stellelement (14a, 14b) vorgesehen, welches einen veränderbaren Druck auf den wenigstens einen Kern (12) ausübt, um die Permeabilität des wenigstens einen Kerns einzustellen.A variable inductance comprises at least one core (12) of a magnetic material and at least one winding (10) at least partially surrounding the at least one core (12). In order to enable a change in the inductance value of the inductance, at least one adjusting element (14a, 14b) is also provided, which exerts a variable pressure on the at least one core (12) in order to adjust the permeability of the at least one core.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine veränderbare Induktivität.The present invention relates to a variable inductance.

In einigen Anwendungen sind veränderbare Induktivitäten wünschenswert, deren Charakteristika einstellbar sind und so an die aktuellen Bedürfnisse angepasst werden können. Ein Beispiel einer solchen Anwendung ist ein Solarwechselrichter.In some applications, variable inductors are desirable whose characteristics are adjustable and can be adapted to current needs. An example of such an application is a solar inverter.

Bekannte Ansätze zur Veränderung des Induktivitätswerts einer Induktivität beinhalten das Umschalten der Wicklungszahl oder die mechanische Veränderung der Eintauchtiefe des Kerns in die Wicklung (vgl. z. B. DE 730 801 B ). Beide Varianten beinhalten eine mechanische Veränderung der Anordnung, die einem Verschleiß unterliegt. Zudem ist ein mechanisches Verstellen nicht besonders schnell und präzise. Ferner sind auch magnetisch beeinflussbare Induktivitäten bekannt (vgl. z. B. DE 31 22 115 A1 und DE 31 22 949 A1 ).Known approaches to changing the inductance value of an inductor include switching the number of turns or mechanically changing the immersion depth of the core into the winding (see, e.g. DE 730 801 B ). Both variants involve a mechanical change of the assembly, which is subject to wear. In addition, a mechanical adjustment is not very fast and accurate. Furthermore, magnetically influenceable inductors are also known (cf. DE 31 22 115 A1 and DE 31 22 949 A1 ).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Induktivität mit einem veränderbaren Induktivitätswert zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an improved inductance with a variable inductance value.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine veränderbare Induktivität mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a variable inductance with the features of claim 1. Preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die veränderbare Induktivität gemäß der vorliegenden Erfindung hat wenigstens einen Kern aus einem magnetischen Material; wenigstens eine Wicklung, welche den wenigstens einen Kern zumindest teilweise umgibt; und wenigstens ein Stellelement, welches einen veränderbaren Druck auf den wenigstens einen Kern ausübt, um die Permeabilität des wenigstens einen Kerns einzustellen.The variable inductance according to the present invention has at least one core of a magnetic material; at least one winding at least partially surrounding the at least one core; and at least one actuator that applies a variable pressure to the at least one core to adjust the permeability of the at least one core.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass viele magnetische Materialien, insbesondere hochpermeable Materialien, sehr druckempfindlich sind. Gegenüber der materialspezifischen Anfangspermeabilität kann die Permeabilität solcher Materialien bei Einwirken eines (mechanischen) Drucks um bis zu mehrere Größenordnungen sinken. Die vorliegende Erfindung macht sich dieses Verhalten zunutze. So wird auf den Kern der Induktivität mit Hilfe eines geeigneten Stellelements ein veränderbarer Druck ausgeübt, wodurch sich die Permeabilität des Kernmaterials verändert. Als Folge dieser Permeabilitätsänderung verändert sich der Induktionswert der Induktivität in Abhängigkeit von dem unterschiedlich starken Druck durch das Stellelement. Der Induktivitätswert der Induktivität kann somit auf einfache Weise variabel eingestellt werden.The invention is based on the finding that many magnetic materials, in particular highly permeable materials, are very sensitive to pressure. Compared with the material-specific initial permeability, the permeability of such materials can decrease by up to several orders of magnitude under the effect of (mechanical) pressure. The present invention takes advantage of this behavior. Thus, a variable pressure is exerted on the core of the inductance by means of a suitable adjusting element, whereby the permeability of the core material changes. As a result of this change in permeability, the induction value of the inductance changes as a function of the different degrees of pressure through the actuating element. The inductance value of the inductance can thus be set variably in a simple manner.

Die veränderbare Induktivität der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau, eine zuverlässig steuerbare Veränderung ihres Induktivitätswerts, eine schnell reagierende Veränderung ihres Induktivitätswerts und eine verschleißarme Konstruktion aus.In particular, the variable inductance of the invention is characterized by a simple construction, a reliably controllable change in its inductance value, a rapidly changing change in its inductance value and a low-wear construction.

Für den wenigstens einen Kern können grundsätzlich alle Materialien eingesetzt werden, die üblicherweise für den Aufbau von Induktivitäten verwendet werden. Vorzugsweise werden für den wenigstens einen Kern hochpermeable Materialien verwendet. Bevorzugte Beispiele solcher hochpermeablen Materialien sind ferromagnetische Materialien wie Ferrite, Mu-Metalle (Nickel-Eisen-Legierungen), amorphe Metall (z. B. kobaltbasierte Metglas^®-Legierung) und dergleichen.For the at least one core it is possible to use in principle all materials which are usually used for the construction of inductors. Preferably, highly permeable materials are used for the at least one core. Preferred examples of such materials are highly permeable ferromagnetic materials such as ferrites, Mu-metal (nickel-iron alloys), amorphous metal (eg. As cobalt-based alloy Metglas ^®) and the like.

Der wenigstens eine Kern umfasst einen einteiligen Kern, einen mehrteiligen Kern und mehrere (ein- oder mehrteilige) Kerne, die alle zumindest teilweise innerhalb einer Wicklung angeordnet sind. Der wenigstens eine Kern ist dabei relativ zur wenigstens einen Wicklung bevorzugt ortsfest angeordnet bzw. fixiert.The at least one core comprises a one-piece core, a multi-part core and a plurality of (single- or multi-part) cores, all of which are at least partially disposed within a winding. The at least one core is preferably arranged or fixed relative to the at least one winding.

Ebenso umfasst die wenigstens eine Wicklung eine, zwei oder mehr Wicklungen, welche gemeinsam den wenigstens einen Kern zumindest teilweise umgeben. Im Fall mehrerer (d. h. wenigstens zwei) Wicklungen bzw. Wicklungsabschnitte können diese optional einzeln zu- und abschaltbar sein.Likewise, the at least one winding comprises one, two or more windings which together at least partially surround the at least one core. In the case of several (i.e., at least two) windings or winding sections, these can optionally be switched on and off individually.

Bei dem Druck, der von dem Stellelement auf das Kernmaterial ausgeübt wird, handelt es sich bevorzugt um einen mechanischen Druck. Der Druck kann hydrostatisch oder unidirektional auf den Kern einwirken. Der Druck kann von dem Stellelement direkt oder indirekt auf den Kern ausgeübt werden. Im Fall mehrerer (d. h. wenigstens zwei) Kerne oder Kernabschnitte kann der Druck auf nur einen, auf mehrere oder auf alle davon ausgeübt werden.The pressure exerted by the actuator on the core material is preferably a mechanical pressure. The pressure can act hydrostatically or unidirectionally on the core. The pressure can be exerted by the actuator directly or indirectly on the core. In the case of multiple (i.e., at least two) cores or core sections, the pressure may be applied to only one, to several or all of them.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Stellelement in seiner Position und/oder seiner Größe veränderbar, um einen veränderbaren Druck auf den wenigstens einen Kern auszuüben.In a preferred embodiment of the invention, the at least one adjusting element is variable in its position and / or its size to exert a variable pressure on the at least one core.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Stellelement elektrisch ansteuerbar. Die Steuerung oder Regelung der veränderbaren Induktivität erfolgt somit vorzugsweise durch ein elektrisches Signal an das Stellelement (z. B. an das Stellelement angelegte Spannung, etc.), um die Permeabilität des Kernmaterials zu beeinflussen. Die Veränderung des Induktivitätswerts der Induktivität kann somit rein elektrisch und ohne zusätzliche mechanische bzw. bewegliche Komponenten erfolgen. In a preferred embodiment of the invention, the at least one actuating element is electrically controllable. The control or regulation of the variable inductance is thus preferably effected by an electrical signal to the control element (eg, voltage applied to the control element, etc.) in order to influence the permeability of the core material. The change in the inductance value of the inductance can thus be carried out purely electrically and without additional mechanical or movable components.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das wenigstens eine Stellelement ein piezoelektrisches Element auf. An dem piezoelektrischen Element liegt vorzugsweise eine variable Spannung an, durch welche das Element eine geringfügige Längenänderung erfährt, welche einen unterschiedlich starken Druck auf den Kern bewirkt.In a preferred embodiment of the invention, the at least one actuating element has a piezoelectric element. The piezoelectric element is preferably a variable voltage, through which the element undergoes a slight change in length, which causes a different pressure on the core.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Stellelement in einen Regel- oder Steuerkreis integriert, der den Induktivitätswert der veränderbaren Induktivität direkt oder indirekt erfasst (z. B. Stromfluss durch Wicklung, elektrischer Widerstand der Wicklung, etc.). Der Induktivitätswert der Induktivität kann so auch bei kostengünstigen Kernmaterialien, welche großen Schwankungen ihrer Eigenschaften wie der Permeabilität unterliegen, korrekt angepasst werden. Außerdem können so vorzugsweise Schwankungen von Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel der Temperatur, die sich ebenfalls in einer Änderung des Induktivitätswerts niederschlagen können, ausgeregelt werden.In a further preferred embodiment of the invention, the at least one control element is integrated in a control or control circuit which detects the inductance value of the variable inductance directly or indirectly (eg current flow through winding, electrical resistance of the winding, etc.). The inductance value of the inductance can thus be adjusted correctly even with inexpensive core materials, which are subject to large fluctuations in their properties, such as permeability. In addition, fluctuations in ambient conditions, such as temperature, which can also be reflected in a change in the inductance value, can thus be regulated.

Die veränderbare Induktivität der Erfindung kann vorzugsweise eine Drossel bzw. Teil einer Drossel oder ein Transformator bzw. Teil eines solchen (wenigstens eine Wicklung von Primär- oder Sekundärseite) sein. Darüber hinaus ist mit der veränderbaren Induktivität der Erfindung auch eine teilweise Umlenkung des magnetischen Kreises zwischen mehreren Pfaden möglich, was zum Beispiel beim Einsatz in Motoren von Vorteil sein kann.The variable inductance of the invention may preferably be a throttle or a transformer or a transformer or part thereof (at least one winding of the primary or secondary side). In addition, with the variable inductance of the invention, a partial deflection of the magnetic circuit between multiple paths is possible, which may be advantageous, for example, when used in motors.

In einem Solarwechselrichter kann die veränderbare Induktivität zur Optimierung der Brückenansteuerung benutzt werden. Hierdurch kann zum Beispiel die Frequenz leichter dem Momentanstrom oder der aktuellen Teillast angepasst werden. Auf diese Weise können die Halbleiter im Solarwechselrichter besser ausgenutzt werden und/oder die Induktivität kann kleiner konzipiert werden, wodurch die Kosten für die Herstellung und/oder der Wirkungsgrad des Solarwechselrichters verbessert werden können.In a solar inverter, the variable inductance can be used to optimize the bridge control. As a result, for example, the frequency can be easily adapted to the instantaneous current or the current partial load. In this way, the semiconductors in the solar inverter can be better utilized and / or the inductance can be made smaller, whereby the cost of manufacturing and / or the efficiency of the solar inverter can be improved.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige 1 ein Prinzipschaltbild des Grundaufbaus einer veränderbaren Induktivität gemäß der vorliegenden Erfindung.The above and other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description of a preferred, non-limiting embodiment thereof with reference to the accompanying drawings. In it shows the only one 1 a schematic diagram of the basic structure of a variable inductance according to the present invention.

In dem Ausführungsbeispiel von 1 umgibt eine Wicklung 10 einen Kern 12 aus einem hochpermeablen Material wie beispielsweise einem Ferrit. Die Wicklung 10 ist zum Beispiel eine einfache Drossel bzw. Spule. An den Enden des Kerns 12, welche aus der Wicklung 10 heraus ragen, ist jeweils ein Stellelement 14a bzw. 14b mit einem piezoelektrischen Element vorgesehen, welches mit dem Kernmaterial 12 in Kontakt steht.In the embodiment of 1 surrounds a winding 10 a core 12 made of a highly permeable material such as a ferrite. The winding 10 is for example a simple throttle or coil. At the ends of the core 12 which is from the winding 10 protrude out, is each an actuator 14a respectively. 14b provided with a piezoelectric element, which with the core material 12 in contact.

Die Stellelemente 14a, 14b sind in einen Regelkreis 16 integriert, der zudem eine Steuervorrichtung 18 und eine Messvorrichtung 20 aufweist. Die Steuervorrichtung 18 steuert die beiden Stellelemente 14a, 14b an; die Messvorrichtung 20 erfasst den aktuellen Induktivitätswert der aus Wicklung 10 und Kern 12 gebildeten Induktivität zum Beispiel durch Messung des elektrischen Stroms durch die Wicklung 10.The control elements 14a . 14b are in a loop 16 integrated, which also has a control device 18 and a measuring device 20 having. The control device 18 controls the two control elements 14a . 14b at; the measuring device 20 captures the current inductance value of the winding 10 and core 12 inductance formed, for example, by measuring the electrical current through the winding 10 ,

Der Induktivitätswert der Induktivität 10–12 kann in folgender Weise eingestellt/verändert/angepasst werden.The inductance value of the inductance 10 - 12 can be set / changed / adjusted in the following way.

Die Messvorrichtung 20 erfasst in direkter oder indirekter Weise den aktuellen Induktivitätswert der Induktivität 10–12 und gibt den Messwert bzw. ein diesem entsprechendes Messsignal an die Steuervorrichtung 18 weiter. Die Steuervorrichtung 18 wertet den Messwert/das Messsignal von der Messvorrichtung 20 aus und vergleicht ihn/es mit einem Sollwert, der von einer übergeordneten Steuerung 22 zur Verfügung gestellt wird. Die Steuervorrichtung 18 kann wahlweise in diese übergeordnete Steuerung 22 integriert sein.The measuring device 20 detects directly or indirectly the current inductance value of the inductance 10 - 12 and outputs the measured value or a corresponding measurement signal to the control device 18 further. The control device 18 evaluates the measured value / signal from the measuring device 20 and compares it with a setpoint from a higher-level controller 22 is made available. The control device 18 can optionally in this higher-level control 22 be integrated.

In Abhängigkeit von dieser Auswertung des Messwerts/Messsignals steuert die Steuervorrichtung 18 die beiden Stellelemente 14a, 14b elektrisch an, indem sie zum Beispiel eine entsprechende elektrische Spannung an deren piezoelektrische Elemente anlegt. Aufgrund der angelegten Spannung erfahren diese piezoelektrischen Elemente der Stellelemente 14a, 14b eine Längenausdehnung oder -schrumpfung (allgemein Längenänderung). Diese variablen Längen der piezoelektrischen Elemente der Stellelemente 14a, 14b erzeugen unterschiedlich starke Drücke auf das Kernmaterial 12, das ortsfest angeordnet ist und mit den piezoelektrischen Elementen direkt oder indirekt in Kontakt steht.In dependence on this evaluation of the measured value / measuring signal, the control device controls 18 the two control elements 14a . 14b electrically, for example, by applying a corresponding electrical voltage to the piezoelectric elements. Due to the applied voltage, these piezoelectric elements undergo the control elements 14a . 14b a length expansion or shrinkage (generally length change). These variable lengths of the piezoelectric elements of the actuators 14a . 14b generate different pressures on the core material 12 which is fixed in position and is in direct or indirect contact with the piezoelectric elements.

Da das hochpermeable Kernmaterial 12 sehr druckempfindlich ist und seine Permeabilität bei höheren Drücken stark abnimmt, kann auf diese Weise die Permeabilität des Kerns 12 verändert bzw. eingestellt werden. Die veränderte Permeabilität bewirkt wiederum eine Veränderung des Induktivitätswerts, welche durch die Messvorrichtung 20 erfasst wird.Because the highly permeable core material 12 is very sensitive to pressure and its permeability decreases sharply at higher pressures, can in this way the permeability of the core 12 be changed or adjusted. The altered permeability in turn causes a change in the inductance value, which by the measuring device 20 is detected.

Mit diesem Regelkreis 16–20, der eine dynamische Veränderung der Induktivitätswerte ermöglicht, sind somit auf einfache Weise variable Induktivitäten bzw. Induktivitätsverläufe realisierbar.With this control loop 16 - 20 , which allows a dynamic change of the inductance values, are thus easily realizable variable inductances or Induktivitätsverläufe.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 730801 B [0003]
DE 3122115 A1 [0003]
DE 3122949 A1 [0003]

Claims

Changeable inductance, with at least one core ( 12 ) of a magnetic material and at least one winding ( 10 ) containing the at least one core ( 12 ) at least partially, characterized by at least one actuating element ( 14a . 14b ), which has a variable pressure on the at least one core ( 12 ) to adjust the permeability of the at least one core.

Changeable inductance according to claim 1, characterized in that the at least one actuating element ( 14a . 14b ) is variable in its position and / or its size to a variable pressure on the at least one core ( 12 ) exercise.

Changeable inductance according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one actuating element ( 14a . 14b ) is electrically controllable.

Changeable inductance according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one actuating element ( 14a . 14b ) has a piezoelectric element.

Changeable inductance according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one core ( 12 ) is formed of a high permeability material.

Changeable inductance according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one actuating element ( 14a . 14b ) into a control or control circuit ( 16 ), which detects the inductance value of the variable inductance directly or indirectly.

Variable inductance according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is a throttle or part of a throttle.

Variable inductance according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is a primary or secondary side of a transformer or part of such.