DE102018113826A1

DE102018113826A1 - Vorrichtung zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit

Info

Publication number: DE102018113826A1
Application number: DE102018113826.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Borst; Konstantinos Marmaridis
Original assignee: Eugen Forschner GmbH
Current assignee: Eugen Forschner GmbH
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-12
Also published as: WO2019238709A1; EP3803922A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (30) zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) an einem elektronischen Bauteil (10), mit einer eine Wicklung (41) umfassenden Spule (40). Die Vorrichtung (30) zeichnet sich dadurch aus, dass die Spule (40) mit den in Verbindung mit der Wicklung (41) stehenden Leitungen (42, 46) als Längsdrossel in den Strompfad des Bauteils (10) eingebunden ist, dass im Inneren der Wicklung (41) ein Stabkern (60) angeordnet ist und dass die Wicklung (41) außen rahmenförmig von einem Joch (50) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Vorrichtung zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist beispielsweise aus DE 10 2016 212 029 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung wird an Steckverbindern im Automobil-Bereich auch für Hochvolt-Anwendungen verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Vorrichtung zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit mit einer hohen Wirksamkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Unteransprüchen angegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, elektronische Verbindungselemente, wie beispielsweise Hochvolt-Verbinderboxen, die auch als Power-Distribution-Unit (PDU) bezeichnet werden, wie sie unter anderem an DC/DC-Wandlern für das Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen verwendet werden, vor unzulässig hohen Störaussendungen zu schützen.
Die aktuell in der EU geltende Norm UN ECE-R10 Rev05 sieht für das DC-Laden Grenzwerte von 78dB/µV bei <0,5MHz und von 73dB/µV bei >0,5MHz vor. In Frequenzbereichen von etwa 200 kHz können unzulässig hohe Störaussendungen auftreten, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wirksam eliminiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) an einem elektronischen Bauteil weist eine eine Wicklung umfassenden Spule auf, die mit ihren in Verbindung mit der Wicklung stehenden Leitungen als Längsdrossel in den Strompfad des Bauteils eingebunden ist. Im Inneren der Wicklung ist ein Stabkern angeordnet und die Wicklung wird zur Erhöhung der Induktivität außen rahmenförmig von einem Joch umgeben.
Die Wicklung besteht bevorzugt aus einem Runddraht.
Der Stabkern wird bevorzugt aus Ferrit oder einer Nickel-Zink (NiZn)-Verbindunggebildet.
Besonders bevorzugt wird das Joch aus mehreren aufeinander angeordneten Lagen aus Dynamoblech gebildet. Eine derartige Ausbildung trägt sehr wesentlich zur Erhöhung der Induktivität bei kompakten Abmessungen der Vorrichtung bei. Besonders bevorzugt wird das Joch von etwa 20 bis 25 Lagen aus Dynamoblech gebildet. Als bevorzugter Werkstoff für die Lagen des Jochs wird M270-50A oder M400-50A nach DIN EN 10106 verwendet. Die Dicke einer Lage beträgt dabei 0,5 mm. Die einzelnen Lagen sind beidseitig mittels einer C5-Beschichtung mit einer Schichtdicke von 1 bis 4 µm isoliert. Die C5-Beschichtung ist ein Pigmentlack, der sich aus thermostabilen Harzen, mineralischen Substanzen und Pigmenten zusammensetzt und eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit des Lacks gewährleistet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gehäuse des elektronischen Bauteils angeordnet. Das Bauteil kann dabei von einer Power-Distribution-Unit (PDU), von einem Steckverbinder, von einem DC/DC Wandler, von einer Batterie oder im einfachsten Fall von einem Kabel gebildet werden.
Bei einer maximalen Strombelastung des Bauteils von etwa 24 A weist die Spule bevorzugt eine Induktivität von 45 bis 70 µH auf.
Optional ist im Strompfad der Spule eine Sicherung angeordnet, deren Grenzstrombelastung etwa 20A beträgt. Die Sicherung kann auch von einer beispielsweise in einer Zuleitung der Spule angeordneten Schwachstelle gebildet sein, die aufgrund der geringeren Materialstärke bei einer Belastung mit etwa 20A über einen definierten Zeitraum durchschmilzt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die mit der Wicklung der Spule in Verbindung stehenden Leitungen an ihren Enden jeweils ein Kontaktierungsende auf, das in Form einer Rundöse mit annähernd 360° gebildet ist. Hierdurch ist ein leichtes vollflächiges Anschrauben der Kontaktierungsenden an Verbindungspunkten zu benachbarten Bauteilen oder Leitern möglich.
Die Wicklung der Spule weist bevorzugt etwa 29 Windungen aus einem Kupferlackdraht mit einem Querschnitt von etwa 1,5 mm² auf. Dabei ergibt sich eine axiale Länge der Spule von etwa 38 mm. Der Stabkern im Inneren der Spule ist demgegenüber geringfügig länger und weist bei einem Durchmesser von etwa 10 mm eine Länge von etwa 40 mm auf.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Spule, der Stabkern und das Joch in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Bauteile dabei im Gehäuse von einem Kunststoffmaterial umgossen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines als PDU ausgebildeten elektronischen Bauteils mit einer darin angeordneten Vorrichtung, wobei alle für die Beschreibung der Erfindung unwesentlichen Teile der PDU weggelassen wurden,
2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als einzelne Baugruppe, wobei die Umgießung aus Kunststoff weggelassen wurde,
3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Weglassung der Umgießung, und
4 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der Schnittlinie A-A in 3.

In der 1 ist ein beispielhaft als Power-Distribution-Unit (PDU) ausgebildetes elektronisches Bauteil 10 dargestellt. Das Bauteil 10 wird von einem Gehäuse 12 umgeben, von dem in der bildlichen Darstellung nur das untere Gehäuseteil zu sehen ist. Zum Gehäuse 12 gehört auch ein nicht dargestelltes Gehäuseoberteil, das über eine Vielzahl von Schrauben 18 mit dem Gehäuseunterteil zu einem dichten Gesamt-Gehäuse 12 verbindbar ist.
Das Bauteil 10 ist über mehrere Laschen 14 und darin ausgebildete Bohrungen 16 beispielsweise im Motorraum eines Elektrofahrzeugs befestigbar. Das Bauteil 10 ist über eine erste Leitung 20 mit einer Hochvolt-Spannungsversorgung von beispielsweise 400 VDC verbunden. Im Inneren des Bauteils 10 wird die über die erste Leitung 20 zugeführte Eingangsspannung für eine Verwendung in weiteren elektronischen Bauteilen - beispielsweise als Ladestrom für eine Batterie eines Elektrofahrzeugs - verteilt und/oder mittels eines DC/DC-Wandlers in eine andere Verbrauchsspannung gewandelt. Eine vom Bauteil 10 abgehende Leitung ist beispielhaft mit 22 bezeichnet. Es versteht sich, dass auch mehrere abgehende Leitungen 22 vorhanden sein können. Von den im Inneren des Bauteils 10 verlaufenden Leitern ist nur ein Leiter 24 exemplarisch dargestellt.
In das Gehäuse 12 des Bauteils 10 ist eine Vorrichtung 30 integriert, die als EMV-Filter die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht und dabei die besonders in Frequenzbereichen von beispielsweise etwa 200 kHz auftretenden unzulässig hohen Störaussendungen unterbindet.
Die Vorrichtung 30 weist ein Gehäuse 32 auf, das im gezeigten Beispiel die Form eines rechteckigen Kastens mit einem auf einer Seite anschließenden weiteren Kasten aufweist. An der Außenseite der Wand 32 sind mehrere Vorsprünge 34 mit darin ausgebildeten Bohrungen 36 angeordnet, die zur Befestigung der Vorrichtung 30 am elektronischen Bauteil 10 bzw. an dessen Gehäuse 12 dienen.
Die Vorrichtung 30 weist eine in Längsrichtung verlaufende, als Längsdrossel wirkende Spule 40 mit einer Wicklung 41 auf. Die Wicklung 41 besteht bevorzugt aus einem Kupferlackdraht mit einem Querschnitt von 1,5 mm², wie er beispielsweise unter der Bezeichnung CUL 500/1,5 von der Firma Block angeboten wird. Die Wicklung 41 weist dabei etwa 29 Windungen auf, aus denen sich eine axiale Länge der Spule 40 von etwa 38 mm und ein Außendurchmesser von etwa 13,5 mm ergeben.
Die Wicklung 41 ist mittels einer ersten Leitung 42 auf ihre Eingangsseite und mittels einer zweiten Leitung 46 auf ihrer Ausgangsseite in den Strompfad des elektronischen Bauteils 10 eingebunden. Am Ende der Leitung 42 und am Ende der Leitung 46 sind dabei ringförmige Kontaktierungsenden 44 bzw. 48 als Öse in Form eines nahezu 360° Vollkreises angeformt, die zur Befestigung und Verbindung mit benachbarten elektronischen Bauteilen, insbesondere durch eine vollflächige Verschraubung, dienen. So ist beispielsweise die Ausgangsseite der Spule 40 mit der Leitung 46 mit dem Kontaktierungsende 48 über eine elektrisch leitende Verbindungsplatte mit dem Leiter 24 verbunden und die Eingangsseite mit der Leitung 42 ist mit einer Sicherung 49 verbunden. Die Sicherung 49 ist beispielsweise für eine Grenzstrombelastung von 20A ausgelegt. Optional kann auch in der Leitung 42 oder in der Leitung 46 eine Materialschwächung ausgebildet sein, die die Funktion der Sicherung 49 übernimmt und bei einer über einen gewissen Zeitraum anliegenden Stromstärke von 20A oder mehr zu einem Durchschmelzen der betreffenden Leitung 42 oder 46 führt.
Wie insbesondere aus der Längsschnitt-Darstellung gemäß 4 erkennbar, ist im Inneren der Wicklung 41 ein Stabkern 60 angeordnet. Der Stabkern weist eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Länge von etwa 40 mm auf und besteht bevorzugt aus einer Nickel-Zink-(NiZn)-Legierung, wie sie beispielsweise vom Hersteller Ferroxcube unter der Bezeichnung ROD10/40-4B1 angeboten wird.
Die Wicklung 41 wird ferner von einem im Wesentlichen rechteckigen Joch 50 mit abgerundeten Ecken rahmenförmig umgeben, das aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Lagen 52 aus einem in Form gestanzten und paketierten Dynamoblech besteht. Besonders bevorzugt wird das Joch 50 von etwa 20 bis 25 Lagen 52, insbesondere aus 23 Lagen 52 aus Dynamoblech gebildet. Das Joch 50 weist in seinem mittleren Bereich eine rechteckige Aussparung 51 auf, die zur Aufnahme der Spule 40 und des im inneren Hohlraum von deren Wicklung 41 aufgenommenen Stabkerns 60 dient.
Als bevorzugter Werkstoff für die Lagen 52 des Jochs 50 wird M270-50A oder M400-50A nach DIN EN 10106 verwendet. Die Dicke einer Lage 52 beträgt dabei 0,5 mm. Die einzelnen Lagen sind beidseitig mittels einer C5-Beschichtung mit einer Schichtdicke von 1 bis 4 µm isoliert. Die C5-Beschichtung ist ein Pigmentlack, der sich aus thermostabilen Harzen, mineralischen Substanzen und Pigmenten zusammensetzt und eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit des Lacks gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 stellt bei äußerst kompaktem Bauraum eine Induktivität von 45 bis 70 µH bereit, durch welche der Störpegel im besonders kritischen Frequenzbereich von um die 200 kHz um etwa 28 dB gesenkt werden kann.
Durch den Einsatz der Vielzahl von Lagen 52 des Jochs 50 wird die Flussdichte wesentlich erhöht und die zum Stabkern 60 beidseitig gebildeten Luftspalte 70 sorgen für einen höheren Sättigungsstrom, so dass bei einer Strombelastung von 20A noch 90% der Nenn-Induktivität vorhanden sind. Die Vorrichtung 30 ist in den insbesondere im Automotive-Bereich als Anforderung definierten Temperaturbereichen -40°C bis +150°C voll funktionsfähig. Auch kurzzeitige Belastungen mit 50A, die zu Temperaturen von 300°C führten, führten nicht zu einem Durchbrennen der Spule 40.
Die Luftspalte 70 definieren einen Abstand beider Stirnseiten des Stabkerns 60 zum umgebenden Joch 50 von etwa 0,001 mm bis 0,005 mm. insbesondere von etwa 0,002 mm. Durch eine Verkleinerung der Breite des Luftspalts 70 kann die Sättigungsgrenze gesenkt und die Induktivität erhöht werden. Eine Vergrößerung der Luftspalte 70 erzeugt die gegenteilige Wirkung. Die Energie, die in der Spule 40 gespeichert und damit absorbiert werden kann, ist unter anderem dadurch begrenzt, dass die Spule 40 einschließlich ihres Stabkerns 60 ab einer bestimmten Flussdichte B in die sogenannte Sättigung gerät. In diesem Fall würde die Induktivität sehr stark sinken, die Filterwirkung wäre weg und der Strom würde stark ansteigen.
Die Sättigung ist abhängig von der magnetischen Feldstärke H, die sich aus der Flussdichte B und der Permeabilität µ (magnetische Feldkonstante und die Permeabilitätszahl) berechnen lässt. Von einer Sättigung des Materials spricht der Fachmann, wenn alle Elementarmagnete im magnetischen Feld unter Einwirkung eines externen Magnetfelds ausgerichtet sind.
Durch die beiden Luftspalte 70 ist die Permeabilitätszahl beeinflussbar. Damit wird erreicht, dass die Spule 40 bei bekannter Flussdichte B erst bei größerer Feldstärke H in Sättigung geht. Da sich die Feldstärke H bei fixem Leiterquerschnitt proportional zum Strom verhält, kann die Spule 40 mit mehr Strom belastet werden, bevor sie in Sättigung geht.
Die Spule 40, der Stabkern 50 und das Joch 50 werden im Gehäuse 32 der Vorrichtung 30 von einem Kunststoffmaterial 80 umgossen, das nur in 4 dargestellt ist. Dadurch wird deren Position dauerhaft mechanisch fixiert und eine hohe Rüttelfestigkeit erreicht, die bei mobilen Einsätzen der Vorrichtung 30 von großem Vorteil ist.
Die vorstehend genannten Zahlen und Maßangaben sind für die Vorrichtung 30 nur exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen. So können durch einen größeren oder kleineren Durchmesser und/oder eine größere oder kleinere Länge des Stabkerns 60 und/oder eine größere oder kleinere Windungszahl der Wicklung 41 und/oder einen größeren oder kleineren Querschnitt des für die Wicklung 41 verwendeten Drahtes auch höhere oder niedrigere Induktivitäten erzeugt und eine Anpassung der gewünschten Dämpfung auch bei unterschiedlichen Stromstärken bewirkt werden.
Bezugszeichenliste

10: (elektronisches) Bauteil
12: Gehäuse
14: Lasche
16: Bohrung
18: Schraube
20: Leitung
22: Leitung
24: Leiter
30: Vorrichtung (EMV-Filter)
32: Gehäuse
34: Vorsprung
36: Bohrung
40: Spule
41: Wicklung
42: Leitung
44: Kontaktierungsende (an 42)
46: Leitung
48: Kontaktierungsende (an 46)
49: Sicherung (für 40)
50: Joch
52: Lage (von 50, aus Dynamoblech)
60: Stabkern
70: Luftspalt
80: Kunststoffmaterial (Vergussmasse)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016212029 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (30) zur Verbesserung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) an einem elektronischen Bauteil (10), mit einer eine Wicklung (41) umfassenden Spule (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (40) mit den in Verbindung mit der Wicklung (41) stehenden Leitungen (42, 46) als Längsdrossel in den Strompfad des Bauteils (10) eingebunden ist, dass im Inneren der Wicklung (41) ein Stabkern (60) angeordnet ist und dass die Wicklung (41) außen rahmenförmig von einem Joch (50) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (41) aus einem Runddraht besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabkern (60) aus Ferrit oder aus einer Nickel-Zink-(NiZn)-Verbindung gebildet ist.
Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (50) aus mehreren aufeinander angeordneten Lagen (52) aus Dynamoblech gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (50) etwa 20 bis 25 Lagen (52) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (52) des Jochs (50) aus dem Werkstoff M270-50A oder M400-50A nach DIN EN 10106 gebildet sind und beidseitig eine Isolierung mittels eines Pigmentlacks (C5-Beschichtung) in einer Dicke von 1 bis 4 µm aufweisen.
Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) in einem Gehäuse (12) des Bauteils (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) von einer Power-Distribution-Unit (PDU), von einem Kabel, von einem Steckverbinder, von einem DC/DC-Wandler oder von einer Batterie gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (40) bei einer maximalen Strombelastung des Bauteils (10) von etwa 24 A eine Induktivität von etwa 45 bis 70 µH aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad der Spule (40) eine Sicherung (49) angeordnet ist, deren Grenzstrombelastung etwa 20 A beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verbindung mit der Wicklung (41) stehenden Leitungen (42, 46) an ihren Enden jeweils ein Kontaktierungsende (44, 48) aufweisen, das in Form einer Rundöse mit annähernd 360° gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (41) der Spule (40) etwa 29 Windungen aus einem Kupferlackdraht mit einem Querschnitt von etwa 1,5 mm² aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabkern (60) von einem zylindrischen Körper mit etwa 10 mm Durchmesser und einer Länge von etwa 40 mm gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (40), der Stabkern (60) und das Joch (50) in einem Gehäuse (32) der Vorrichtung (30) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (40), der Stabkern (60) und das Joch (50) im Gehäuse (32) von einem Kunststoffmaterial (80) umgossen sind.