DE19920268C1

DE19920268C1 - Induktivitätsanordnung

Info

Publication number: DE19920268C1
Application number: DE19920268A
Authority: DE
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 1999-05-03
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2019-05-04
Also published as: HK1036874A1; ES2194703T3; EP1095383A1; WO2000067265A1; DK1095383T3; CA2332363A1; PT1095383E; US6628191B1; DE50001942D1; BR0006092A; CA2332363C; JP2002543606A; AU738507B2; ATE239297T1; EP1095383B1; AU2915100A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Induktivitätsanordnung bzw. die Konstruktion von Induktivität, Drosseln, Transformatoren mit sehr hoher Leistungsdichte. DOLLAR A Drosseln sind übliche Ausführungsbeispiele von Induktivitätsanordnungen. Eine solche Drossel besteht aus einem Magnet und einem elektrischen Kreis, wobei letzterer regelmäßig aus einer Kupferwicklung besteht. Der magnetische Kreis besteht je nach Anwendungsbereich aus geschichteten Dynamoblechen bei kleineren und mittleren Frequenzen, bei höheren Frequenzen z. B. aus Ferrit. DOLLAR A Es ist Aufgabe, der vorliegenden Erfindung die Kühlung des magnetischen Kreises zu verbessern, den Wirkungsgrad der eingangs beschriebenen Induktionseinrichtung zu verbessern und den Materialverbrauch für die Wicklungen deutlich zu verringern, so daß bei gleichbleibender Leistung ein geringeres Gewicht und eine verringerte Baugröße der Induktionsanordnung erreicht werden kann. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß einzelne Blechpakete bei der Induktionsanordnung gegeneinander verschoben sind. Hierdurch wird die Oberfläche an beiden Seiten des Eisenkerns drastisch vergrößert. Diese Vergrößerung der Kühlfläche ist um einen Faktor fünf bis fünfzehn leicht erreichbar. Durch die Verschiebung der Schenkelbleche entstehen sehr wirkungsvolle Kühlkanäle zwischen dem Kern und der sich umgebenden Wicklung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktivitätsanordnung bzw. die Konstruktion von Induktivitäten, Drosseln, Transformatoren mit sehr hoher Leistungsdichte.

Drosseln sind übliche Ausführungsbeispiele von Induktivitätsanordnungen. Eine solche Drossel besteht aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei letzterer regelmäßig aus einer Kupferwicklung besteht. Der magnetische Kreis besteht je nach Anwendungsbereich aus geschichteten Dynamoblechen bei kleineren und mittleren Frequenzen, bei höheren Frequenzen z. B. aus Ferrit.

Eine solche Drossel besteht regelmäßig aus zwei von jeweils einer Kupferwicklung umschlossenen magnetisch leitenden Schenkeln, die durch Joche magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen einem Schenkel und einem Joch je nach Anwendungsfall ein Luftspalt vorgesehen sein kann.

Die Induktivität einer solchen Drossel berechnet sich hierbei wie folgt:

(Gleichung 1)

wobei: A_Fe den Eisenquerschnitt, I_Fe die Länge des Eisenweges, N die Anzahl der Windungen, µ₀ die relative Permeabilität, µ_e die effektive Permeabilität darstellen.

Die magnetische Induktion berechnet sich demzufolge nach folgender Formel:

(Gleichung 2)

Die magnetische Induktion ist der bestimmende Faktor bei der Auslegung von induktiven Bauelementen bzw. Transformatoren. Eine Vergrößerung der Induktivität der Induktion B bedeutet stets auch eine höhere Leistungsdichte.

Die Eisenverluste P_V,_Fe innerhalb des magnetischen Kreises (Kerns) sind in einem großen Bereich bei niedriger Frequenz quadratisch von der Induktion B abhängig. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Bei noch größerer Aussteuerung des Dynamobleches steigen die Eisenverluste sehr stark an, weshalb dieser Bereich in der Regel vermieden werden sollte. Bei konventionellen Bauweisen von Drosseln besteht aber nicht die Möglichkeit hohe Verlustleistungen abzuführen, da die Eisenschenkeln durch den Spulenkörpern, also der Kupferwicklung, von der Umgebung isoliert sind. Es gibt hierbei praktisch keine Möglichkeit der Wärmeabstrahlung (Wicklung über Kern) oder der Wärmeableitung (Luftspalt). Somit kann nur eine geringe Ver lustleistung aus dem magnetischen Kreis abgeführt werden.

Aus WO 99/28925 ist eine Induktionsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.

Ferner ist aus DE 35 05 120 eine Induktionsanordnung bekannt, die aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis besteht, wobei der magnetische Kreis zwei Schenkel aufweist, die durch geschichtete Bleche gebildet sind und der elektrische Kreis zwei Metallwindungen aufweist, wobei zur Vergrößerung der Oberfläche des magnetischen Kreises einzelne Bleche gegenüber dem Blechpaket verschoben sind (Fig. 2). Die Bleche sind hierbei im Bereich außerhalb des elektrischen Kreises verschoben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Kühlung des magnetischen Kreises zu verbessern, den Wirkungsgrad der eingangs beschriebenen Induktionseinrichtung zu verbessern und den Materialverbrauch für die Wicklungen deutlich zu verringern, so daß bei gleichbleibender Leistung ein geringeres Gewicht und eine verringerte Baugröße der Induktionsanordnung erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Induktionsanordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Gegeneinanderverschiebung der Blechpakete bei der erfindungsgemäßen Induktionsanordnung, wobei die Bleche eines Schenkels um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs, durch den die Schenkel miteinander verbunden sind, ausgerichtet sind, werden die Oberflächen an beiden Seiten der Eisenkerne drastisch vergrößert. Die Vergrößerung der Kühlfläche um einen Faktor fünf bis fünfzehn ist leicht erreichbar. Durch die Verschiebung der Schenkelbleche entstehen sehr wirkungsvolle Kühlkanäle zwischen dem Kern und der sie umgebenden Wicklung (elektrischer Kreis, Metallwicklung).

Eine Erhöhung der Induktion B um etwa 10% läßt auch eine um 10% höhere Windungszahl zu. Damit steigt jedoch die Induktivität um ca. 121% an, da - siehe Formel 1 - diese proportional zum Quadrat der Windungszahl zunimmt.

Besonders wirkungsvoll ist es, wenn die gegeneinander verschobenen Bleche bzw. gegeneinander verschobenen Blechpakete um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs ausgerichtet sind. Somit kann die Oberfläche durch die Verschiebung der Bleche auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden, ohne daß sich die Wicklung der benachbarten magnetischen Kreise hierbei näherkommen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipbild einer magnetischen Drossel;

Fig. 2 Darstellung der Abhängigkeit der Eisenverluste von der Induktion;

Fig. 3 Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Induktionsanordnung.

Fig. 4 vergleichende Darstellung der Eisenverluste in Abhängigkeit der Induktion bei konventionellen und erfindungsgemäßen Drosseln

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Induktionsanordnung am Beispiel einer Drossel 1. Diese besteht im dargestellten Beispiel aus einem magnetischen Kreis 8, zwei elektrischen Kreisen 2 und je nach Anwendungsfall weist der magnetische Kreis auch einen Luftspalt 3 auf. Der magnetische Kreis seinerseits besteht aus vier Elementen, nämlich zwei Jochen 5 und zwei Schenkeln 4.

Die elektrischen Kreise 2 bestehen regelmäßig aus einer Kupferwicklung oder einer anderen Metallwicklung.

Die Schenkel und Joche können je nach Anwendungsbereich aus geschichteten Dynamoblechen 7 bei kleineren und mittleren Frequenzen bestehen, bei höheren Frequenzen vorzugsweise auch aus Ferrit oder Eisenpulver.

Wie in Fig. 2 zu sehen, sind bei konventionellen Induktivitäten die Eisenverluste P_V,Fe innerhalb des magnetischen Kreises, also die Eisenverluste der Dynamobleche, in einem größeren Bereich bei niedriger Frequenz quadratisch von der Induktion B abhängig.

Bei noch höherer Aussteuerung (bei noch größerer Induktion) des magnetischen Kreises bzw. der Dynamobleche steigen die Eisenverluste sehr stark an, weshalb dieser Bereich tunlichst vermieden werden sollte.

Bei konventioneller Bauweise von Drosseln werden die magnetischen Kreise nicht nur aus Dynamoblechen gebildet, sondern diese Dynamobleche bilden auch einen kompakten rechteckigen - oder quadratischen Kern. Dieser Kern wiederum ist vom enganliegenden elektrischen Kreis, also der Kupferwicklung umgeben, so daß der magnetische Kern bzw. der vom magnetischen Kreis umgebenen Schenkel von der Umgebung isoliert sind und daher nicht in der Lage sind, die entstehende Wärme in einem ausreichenden Maße abzuführen. Selbst wenn die nicht umwickelten Teile der Schenkel mit besonderen Maßnahmen gekühlt werden, besteht keine ausreichende Möglichkeit die entstehende Wärme in den Schenkeln über die Wärmeabstrahlung oder eine Wärmeableitung abzuführen. Somit können trotz erheblicher Baugrößen nur relativ geringe Verlustleistungen aus den Schenkeln bzw. dem magnetischen Kreis abgeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Induktionsanordnung am Beispiel einer Drossel. Hierbei ist zu sehen, daß die von der Kupferwicklung 2 umgebenen Schenkel 4 aus mehreren Blechen 7 bestehen, die gegeneinander verschoben sind. Ferner sind die Schenkelbleche 7 um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs 5 ausgerichtet, so daß durch die Verschiebung der Schenkel gegeneinander der ursprüngliche Abstand zwischen benachbarten Schenkeln erhalten bleibt. Durch die Verschiebung der Blechpakete 7, welche etwa 2-10 mm dick sein können, wird die Oberfläche der Schenkel 4 an den Seiten drastisch vergrößert. Die Vergrößerung der Oberfläche und damit der Kühlfläche um einen Faktor fünf bis fünfzehn ist leicht erreichbar. Da die Schenkel 4 weiterhin von der Kupferwicklung 2 umgeben sind, entstehen sehr wirkungsvolle Kühlkanäle, welche wie bei einem klassischen Kühlkörper in der Lage sind, die Wärme, welche in den Schenkeln durch Verluste entsteht, abzuführen.

Durch die sehr intensive Kühlung der Schenkel kann die Induktion B erhöht werden, ohne daß hierbei die Schenkeltemperaturen in kritische Bereiche gelangen. Eine Erhöhung der Induktion B um beispielsweise 10% läßt auch eine 10% höhere Windungszahl zu (siehe Gleichung 2).

Wie aus Gleichung 1 zu ersehen, geht die Windungszahl quadratisch in die Höhe der Induktivität L ein, so daß eine Erhöhung der Induktion B um 10% einer Steigerung der Induktivität L auf 121% gleichkommt.

Da durch die intensive Kühlung der Bleche diese besser ausgenutzt werden können, können dadurch auch gleichzeitig die Schenkel kleiner ausgebildet werden, so daß sich ihr Gewicht verringert. Eine Verringerung der Schenkel bedeutet auch gleichzeitig eine Verringerung der Kupferwickellängen und somit stellt sich auch ein erheblich geringerer Kupferverbrauch ein.

Somit wird der Wirkungsgrad der Induktivitätsanordnung erheblich verbessert.

Es konnte gefunden werden, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei gleichbleibender Drosselleistung die Baugröße gegenüber konventionellen Drosseln um etwa 30-50% und das Gewicht gegenüber konventionellen Drosseln um mehr als 40% verringert werden konnte.

Fig. 4 zeigt den Vergleich der benötigten Menge Eisen (Gewicht) des Eisenkerns einer Drossel. Auf der Y-Achse ist der benötigte Eisenvolumen Fe_Vol (Gewicht) aufgetragen. Die X-Achse zeigt die relative magnetische Induktion B.

Die jeweils entstehenden Eisenverluste sind für die gezeichnete Kurve konstant. Mit der neuen Kühltechnik können pro Flächeneinheit mehr Verluste abgeführt werden. Somit kann, wie die Kurve zeigt, die Drossel wesentlich kleiner gebaut werden. Es ist hierbei zu erkennen, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Drosseln mit einer weitaus höheren Induktion beaufschlagt werden können, wobei hierbei Eisenverluste pro Kilogramm Eisen noch deutlich geringer bleiben als bei kon ventionellen Drosseln. Somit wird der Bereich der kritischen Eisenverluste bei der erfindungsgemäßen Drossel bei einer wesentlich höheren Induktion B erreicht, wobei die erfindungsgemäße Drossel über eine erheblich geringere Baugröße als konventionelle Drosseln verfügt.

Claims

1. Induktionsanordnung (1) bestehend aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei der magnetische Kreis (8) wenigstens zwei Schenkel (4) aufweist, der durch geschichtete Bleche (7) gebildet wird und der elektrische Kreis (2) wenigstens eine Metallwicklung, vorzugsweise eine Kupferwicklung, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bleche (7) bzw. mehrere Blechpakete des Schenkels (4) im Bereich des elektrischen Kreises gegeneinander derart verschoben sind, daß die Oberfläche des magnetischen Kreises vergrößert ist, daß die Schenkel (4) durch wenigstens ein Joch verbunden sind und daß die geschichteten Bleche (7) wenigstens eines Schenkels um 90° versetzt zur Längsrichtung des Jochs ausgerichtet sind.

2. Induktionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Schenkel (4) und dem elektrischen Kreis (2) ein oder mehrere Kühlkanäle (6) ausgebildet sind.

3. Transformator oder Drossel mit einer Induktionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei elektrische Kreise ausgebildet sind, die durch den magnetischen Kreis miteinander gekoppelt sind.