DE102017214510A1 - Inductor with double winding - Google Patents
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Abstract
Induktivität (1) mit einem Magnetkern (2) und einer Bewicklung (3) des Magnetkerns (2) aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die Bewicklung (3) aus mindestens zwei parallel geschalteten unterschiedlichen elektrischen Leitern (5, 6) mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bei Bestromung mit Wechselstrom (AC) aufgebaut ist.Inductance (1) having a magnetic core (2) and a winding (3) of the magnetic core (2) made of electrically conductive material, wherein the winding (3) of at least two parallel different electrical conductors (5, 6) with different frequency-dependent electrical properties when energized with alternating current (AC) is constructed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Bei elektronischen Schaltkreisen werden häufig Induktivitäten eingesetzt, insbesondere als sogenannte Speicherdrosseln. Induktivitäten weisen typischerweise einen Magnetkern, einen Spulenkörper und eine Bewicklung aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Sie sind auf Schaltungsträgern oft die größten und schwersten Bauteile und damit begrenzend für die Schwingungsbelastbarkeit und Zuverlässigkeit. Baugröße und Gewicht solcher Induktivitäten werden auch durch die Bewicklung und die darin anfallenden Verluste bestimmt. Viele Induktivitäten, insbesondere Speicherdrosseln, werden mit einem elektrischen Signal bestromt, das aus einem Anteil Wechselstrom (AC) und einem Anteil Gleichstrom (DC) besteht. Auch die Verluste beim Betrieb lassen sich in einen AC-Anteil und einen DC-Anteil aufteilen. Es gibt unterschiedliche elektrische Leiter, die für eine Bewicklung eingesetzt werden können. In vielen Fällen werden Kupferdrähte oder aus einzelnen Kupferfilamenten aufgebaute Kupferlitzen eingesetzt, die eine gute Leitereigenschaften bei Gleichstrom oder Wechselstrom mit niedrigen Frequenzen aufweisen. Mit steigender Frequenz eines Wechselstromanteils nehmen die Verluste aber stark zu, was unter anderm auf den sogenannten „Skin-Effekt“ (Verdrängung des Stromflusses in Außenbereiche eines elektrischen Leiters) und den sogenannten „Proximity-Effekt“ (Einschnürung des Stromflusses durch Ströme in benachbarten Leitern) zurückzuführen ist.In electronic circuits inductances are often used, in particular as so-called storage chokes. Inductors typically include a magnetic core, a bobbin, and a coil of electrically conductive material. They are often the largest and heaviest components on circuit boards and thus limit the vibration resistance and reliability. The size and weight of such inductors are also determined by the winding and the losses incurred therein. Many inductors, in particular storage chokes, are supplied with an electrical signal, which consists of a share of alternating current (AC) and a proportion of direct current (DC). The losses during operation can also be divided into an AC component and a DC component. There are different electrical conductors that can be used for a winding. In many cases, copper wires or copper strands made up of individual copper filaments are used which have good conductor characteristics for DC or AC at low frequencies. As the frequency of an alternating current component increases, however, the losses increase sharply, which among other things is due to the so-called "skin effect" (displacement of the current flow in outer regions of an electrical conductor) and the so-called "proximity effect" (constriction of the current flow through currents in adjacent conductors ).
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Hiervon ausgehend soll eine neuartige Induktivität beschrieben werden, die hinsichtlich der Frequenz eines Wechselstroms vorteilhaft ist und insbesondere erst bei deutlich höheren Wechselstromfrequenzen eine signifikante Erhöhung des elektrischen Widerstandes erfährt.On this basis, a novel inductance is to be described, which is advantageous in terms of the frequency of an alternating current and in particular undergoes a significant increase in the electrical resistance only at significantly higher AC frequencies.
Hier beschrieben werden soll eine Induktivität mit einem Magnetkern und einer Bewicklung des Magnetkerns aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die Bewicklung aus mindestens zwei parallel geschalteten unterschiedlichen elektrischen Leitern mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bei Bestromung mit Wechselstrom (AC) aufgebaut ist.Described here is an inductance with a magnetic core and a winding of the magnetic core made of electrically conductive material, wherein the winding of at least two parallel-connected different electrical conductors with different frequency-dependent electrical properties when energized with alternating current (AC) is constructed.
Mit dem Begriff „Indukitivät“ ist hier jedes beliebige Bauteil gemeint, mit welchem eine Induktivität L in einer elektrischen Schaltung bereit gestellt werden kann. Eine Induktivität baut ein magnetisches Feld auf, wenn diese von einem Strom durchströmt wird. Zum Aufbau dieses magnetischen Feldes ist Energie notwendig, die durch den elektrischen Strom in die Induktivität eingebracht werden muss. Fällt der durch die Induktivität strömende elektrische Strom weg, gibt die Induktivität die Energie des Feldes gegebenenfalls zielgerichtet ab. Dies kann durch geeignet mit der Induktivität verbundene Schalter, Dioden und oder Transistoren erreicht werden.By the term "Indukitivät" here any component is meant with which an inductance L can be provided in an electrical circuit. An inductance builds up a magnetic field when it is flowed through by a current. For the construction of this magnetic field energy is necessary, which must be introduced by the electric current in the inductor. If the electrical current flowing through the inductance drops away, the inductance optionally returns the energy of the field in a targeted manner. This can be achieved by suitably connected to the inductance switches, diodes and or transistors.
Mit einer Parallelschaltung der unterschiedlichen elektrischen Leiter ist hier gemeint, dass beide elektrische Leiter parallel durchströmt werden können. Bevorzugt existiert zumindest eine elektrische Verbindung der beiden elektrischen Leiter, an der ein elektrischer Strom anteilsweise auf die beiden elektrischen Leiter aufgeteilt wird. Die Aufteilung des elektrischen Stroms auf die beiden elektrischen Leiter richtet sich nach dem vorliegenden (frequenzabhängigen) elektrischen Widerstand der beiden Leiter. Bevorzugt existiert darüber hinaus mindestens eine elektrische Verbindung der beiden elektrischen Leiter, an der elektrische Ströme aus den beiden Leitern wieder zusammengeführt werden. Bevorzugt ist die Induktivität so ausgebildet, dass es aus Sicht des elektrischen Schaltkreises (in welchen die Induktivität eingebettet ist) nicht erkennbar ist, dass innerhalb der Induktivität zwei elekrische Leiter mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften existieren. Für einen solchen elektrischen Schaltkreis sind nur die elektrischen Eigenschaften erkennbar, die sich aus dem Zusammenwirken der beiden unterschiedlichen elektrischen Leiter in der Induktivität ergeben.With a parallel connection of the different electrical conductors is meant here that both electrical conductors can be flowed through in parallel. Preferably, there is at least one electrical connection of the two electrical conductors, at which an electric current is divided partially to the two electrical conductors. The distribution of the electrical current to the two electrical conductors depends on the present (frequency-dependent) electrical resistance of the two conductors. In addition, there is preferably at least one electrical connection of the two electrical conductors, at which electrical currents from the two conductors are brought together again. Preferably, the inductance is designed so that it is not recognizable from the perspective of the electrical circuit (in which the inductance is embedded) that exist within the inductance of two electrical conductors with different frequency-dependent electrical properties. For such an electrical circuit, only the electrical properties that result from the interaction of the two different electrical conductors in the inductance are recognizable.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Induktivität, die mit zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bei Bestromung mit Wechselstrom (AC) aufgebaut ist, hinsichtlich ihres Verhaltens bei Wechselströmen mit hohen Frequenzen sehr vorteilhaft ist.It has been found that an inductance constructed with two different electrical conductors having different frequency-dependent electrical properties when energized with alternating current (AC) is very advantageous in terms of their behavior in high-frequency alternating currents.
Besonders vorteilhaft ist die Induktivität, wenn ein erster elektrischer Leiter im Wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist.The inductance is particularly advantageous when a first electrical conductor is made essentially of copper or a copper alloy.
Besonders vorteilhaft ist die Induktivität weiter, wenn ein zweiter elektrischer Leiter Carbon Nanostrukturbasierte Leitermaterialien (CNL), die z.B. Graphen- oder Carbon-Nanotube-basiert sein können, enthält.Particularly advantageously, the inductance is further enhanced when a second electrical conductor comprises carbon nanostructure-based conductor materials (CNL), e.g. Graphene or carbon nanotube-based contains.
Wie bereits eingangs ausgeführt, haben Leiter aus Kupfer insbesondere bei Gleichstrom und bei Wechseltrömen mit niedrigen Frequenzen sehr gute elektrische Eigenschaften und insbesondere einen niedrigen Widerstand.As stated at the outset, copper conductors have very good electrical properties, and in particular a low resistance, particularly in the case of direct current and alternating currents with low frequencies.
CNL-Leiter haben demgegenüber bei sehr hochfrequenten Wechselströmen gute elektrische Eigenschaften und verhältnismäßig niedrige Widerstände.In contrast, CNL conductors have good electrical properties and relatively low resistances in the case of very high-frequency alternating currents.
Zur Vermeidung von zu starken Verlusten bei hohen Frequenzen werden daher insbesondere aus Filamenten aufgebaute sogenannte „Carbon Nanostrukturbasierte Leitermaterialien“ (CNL) eingesetzt, die durch ihre Struktur geringere Verluste bei hohen Frequenzen bewirken. Dafür kann aber bei CNL-Leitern die Leitfähigkeit für Gleichstrom deutlich geringer sein als bei Kupferleitern, so dass der Einsatz von CNL zu höheren Gesamtverlusten bei Bestromung mit Anteilen von Wechselstrom und Gleichstrom führen kann. Die Auswahl geeigneter elektrischer Leiter für Induktivitäten ist daher kompliziert und von vielen Faktoren abhängig. In order to avoid excessive losses at high frequencies, so-called "carbon nanostructure-based conductor materials" (CNL) constructed from filaments are used in particular, which by their structure cause lower losses at high frequencies. However, in the case of CNL conductors, the conductivity for direct current can be significantly lower than in the case of copper conductors, so that the use of CNL can lead to higher total losses during current supply with components of alternating current and direct current. The selection of suitable electrical conductors for inductors is therefore complicated and dependent on many factors.
Die unmittelbare Verwendung von CNL-Leitern und Kupferleitern in einer einzigen Induktivität in der hier beschriebenen Weise hat überraschend positive Effekte hinsichtlich der Absenkung des elektrischen Widerstandes über einen sehr großen Frequenzbereich. Gleichzeitig ist der elektrische Widerstand bei niedrigen Frequenzen deutlich geringer als dies bei einer Induktivität nur mit einem CNL-Leiter der Fall wäre. Der reduzierende Einfluss auf den Anstieg des elektrischen Widerstands bei Wechselströmen mit hohen Frequenzen, den der (zusätzliche) CNL-Leiter ausübt, ist sehr stark.The direct use of CNL conductors and copper conductors in a single inductance in the manner described herein has surprisingly positive effects in lowering electrical resistance over a very wide frequency range. At the same time, the electrical resistance at low frequencies is significantly lower than would be the case with an inductance with only one CNL conductor. The reducing influence on the increase in electrical resistance in high frequency AC currents exerted by the (additional) CNL conductor is very strong.
Die Tatsache, dass der elektrische Widerstand einer solchen Induktivität über einen weiten Frequenzbereich konstant niedrig ist, kann für verschiedenste elektrische Schaltungen genutzt werden, bei denen ein Quereinfluss der Frequenz eines Wechselstroms auf den elektrischen Widerstand der Induktivität unerwünscht ist.The fact that the electrical resistance of such an inductor is constantly low over a wide frequency range can be used for a wide variety of electrical circuits where it is undesirable to have the frequency of an alternating current influence the inductance of the inductor.
Besonders vorteilhaft ist die Induktivität, wenn ein erster elektrischer Leiter und ein zweiter elektrischer Leiter vom ersten unterschiedlichen elektrischen Leiter in der Bewicklung die gleiche Anzahl Windungen um den Magnetkern aufweisen und zumindest an einem ersten Anschlusspunkt und an einem zweiten Anschlusspunkt elektrisch miteinander verbunden sind.The inductance is particularly advantageous if a first electrical conductor and a second electrical conductor from the first different electrical conductor in the winding have the same number of turns around the magnetic core and are electrically connected to one another at least at a first connection point and at a second connection point.
Der zumindest eine erste Anschlusspunkt und der zumindest eine zweite Anschlusspunkt können in einer bevorzugten Ausführungsform die Aufgabe haben, die Parallelschaltung des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters zu gewährleisten. Diese Anschlusspunkte können darüber hinaus dem Zweck dienen, die Induktivität an weitere Komponenten einer elektronischen Schaltung anzuschließen.The at least one first connection point and the at least one second connection point may in a preferred embodiment have the task of ensuring the parallel connection of the first electrical conductor and the second electrical conductor. These connection points can also serve the purpose of connecting the inductance to other components of an electronic circuit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Induktivität ist ein erster elektrischer Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung von einem zweiten elektrischer Leiter aus CNL umgeben oder mit diesem verdrillt oder verflochten, wobei beide elektrischen Leiter gemeinsam die Bewicklung bilden.In a further preferred embodiment of the inductance, a first electrical conductor made of copper or a copper alloy is surrounded by a second electrical conductor made of CNL or twisted or intertwined therewith, wherein both electrical conductors together form the winding.
Wenn der CNL-Leiter den Leiter aus Kupfer umgibt, führt dies zu einem besonders starken Zusammenwirken der beiden Leiter hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Eigenschaften und der Effekt der hier beschriebenen Induktivität hinsichtlich eines konstanten Widerstands über einen weiten Frequenzbereich ist besonders stark.If the CNL conductor surrounds the conductor made of copper, this leads to a particularly strong interaction of the two conductors with respect to their electromagnetic properties and the effect of the inductance described here with respect to a constant resistance over a wide frequency range is particularly strong.
Durch ein Verdrillen und/oder ein Verflechten des elektrischen Leiters als Kupfer und des elektrischen Leiters aus Metall kann dieser Effekt ebenfalls erreicht werden.By twisting and / or braiding the electrical conductor as copper and the electrical conductor made of metal, this effect can also be achieved.
Besonders bevorzugt ist auch, wenn der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter untereinander über ihre gesamte Länge punktuell in elektrischem Kontakt stehen, jedoch einzelne Windungen beider Leiter gegeneinander und gegenüber dem Magnetkern durch eine Isolierung elektrisch isoliert sind.It is also particularly preferred if the first electrical conductor and the second electrical conductor are in electrical contact with each other selectively over their entire length, but individual turns of both conductors are electrically insulated from one another and from the magnetic core by insulation.
Die Isolierung einzelner Windungen des elektrischen Leiters gegeneinander und gegenüber dem Magnetkern ist erforderlich, damit die Windungen als Windungen wirken und der elektrische Strom nicht einem kürzestmöglichen Weg unter Umgehung der einzelnen Windungen folgt (Windungskurzschluss).The isolation of individual turns of the electrical conductor against each other and with respect to the magnetic core is required so that the windings act as windings and the electric current does not follow a shortest possible path, bypassing the individual turns (winding short circuit).
Der elektrische Kontakt des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters untereinander bzw. zueinander über ihre gesamte Länge (das heißt an einzelnen beliebigen Positionen jeder einzelnen Windung) führt dazu, dass an jeder belieibigen Position jeder einzelnen Windung ein elektrischer Austausch zwischen den beiden elektrischen Leitern stattfinden kann. Dies hat die Auswirkung, dass die positiven Eigenschaften der hier beschriebenen Induktivität hinsichtlich des konstanten elektrischen Widerstandes über einen weiten Frequenzbereich in besonders starkem Maße hervortreten.The electrical contact of the first electrical conductor and the second electrical conductor with each other or to each other over its entire length (that is, at any arbitrary positions of each winding) causes each electrical turn of each individual turn an electrical exchange between the two electrical conductors can take place. This has the effect that the positive characteristics of the inductance described here in terms of the constant electrical resistance over a wide frequency range emerge particularly strong.
Auch besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnetkern ringförmig ist und die Bewicklung in Form einer Ringspule um den Magnetkern ausgebildet ist.Also particularly advantageous is when the magnetic core is annular and the winding is formed in the form of a toroid around the magnetic core.
In einem ringförmigen Magnetkern kann sich in besonders effektiver Weise ein magnetisches Feld ausbilden, weil eine geschlossener Verlauf von magnetischen Feldlinien in einem ringförmigen Magnetkern möglich ist. Durch den Aufbau der Bewicklung nach Art einer Ringspule kann der Aufbau des magnetischen Feldes in dem Magnetkern von dem elektrischen Strom in der Bewicklung besonders effektiv unterstützt werden.In a ring-shaped magnetic core, a magnetic field can be formed in a particularly effective manner, because a closed course of magnetic field lines in an annular magnetic core is possible. By constructing the winding in the manner of an annular coil, the structure of the magnetic field in the magnetic core can be supported particularly effectively by the electric current in the winding.
Weiterhin besonders vorteilhaft ist, wenn die Bewicklung auf einem Bewicklungsträger angeordnet ist. Der Bewicklungsträger kann eine Oberfläche des Magnetkerns sein, die bevorzugt mit einer elektrischen Isolierung versehen ist, um einen Stromfluss von den elektrischen Leitern in den Magnetkern sicher zu vermeiden.Furthermore, it is particularly advantageous if the winding is arranged on a winding carrier. The Wicklungssträger may be a surface of the magnetic core, which is preferably provided with an electrical insulation to safely avoid a flow of current from the electrical conductors in the magnetic core.
Die hier beschriebene Induktivität sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele auf die die beschriebene Induktivität jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen:
-
1 : eine Ausführungsvariante einer beschriebenen Induktivität, -
2 : beispielhaft einen Abschnitt des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters, und -
3 : einen Verlauf von frequenzabhängigen elektrischen Widerständen.
-
1 a variant of a described inductance, -
2 by way of example a portion of the first electrical conductor and the second electrical conductor, and -
3 : a course of frequency-dependent electrical resistances.
In
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2017
- 2017-08-21 DE DE102017214510.2A patent/DE102017214510A1/en not_active Withdrawn
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