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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung, deren
Induktivität
durch einen Steuerstrom veränderbar
ist.
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Spulenanordnungen mit veränderbarer
Induktivität
werden in energietechnischen und nachrichtentechnischen Anwendungen
eingesetzt. Eine solche Anwendung von Spulen mit veränderlicher
Induktivität
liegt im Bereich von Schaltnetzteilen, um die im Hochfrequenzbereich
stattfindende Energieübertragung
den schwankenden Lastanforderungen anzupassen.
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Die früheste Art, die Induktivität einer
Spule zu variieren, bestand darin, die Position eines Eisenkerns,
oder Ferritkerns, in der Spule mechanisch zu verändern. Eine solche Veränderung
der Induktivität der
Spule wurde z.B. bei einem einmaligen Abgleich eines Schwingkreises
vorgenommen. Sobald die variable Induktivität der Spule jedoch als Element
eines Regelkreises eingesetzt wird, muß es möglich sein, die Induktivität der Spule
möglichst
schnell mittels eines elektrischen Signals zu verändern. Für die Realisierung
einer solchen elektrisch steuerbaren Induktivität kann der Effekt ausgenutzt
werden, daß die
relative magnetische Permeabilität
von ferro- und ferrimagnetischen Werkstoffen mit der magnetischen Flußdichte
im Material sinkt. Aufbauend auf diesem Wirkungsprinzip wurden in
der Vergangenheit zahlreiche Spulenanordnungen vorgeschlagen, die
mittels eines Stroms in einer Steuerspule eine Vormagnetisierung
eines magnetisch hoch permeablen Spulenkerns bewirken und so die
Induktivität
der Arbeitswicklung, die ebenfalls auf dem Spulenkern aufgebracht
ist, steuern.
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Eine der ersten Veröffentlichungen
hierzu ist das U.S. Patent 2,229,952 von Whiteley und Ludbrook mit
dem Titel „Magnetic
Amplifiér" aus dem Jahre 1941.
Die dort beschriebene Spule weist einen EE Kern auf, der auf seinem
Mittelschenkel eine Steuerwicklung und auf den Außenschenkeln
die Arbeitswicklungen trägt.
Die Steuerwicklung wird von einem Gleichstrom durchflossen und erzeugt
dadurch einen magnetischen Fluß in
dem EE Kern, der sich auf alle drei Schenkel verteilt. Das Kernmaterial wird
dabei durch den durch die Steuerwicklung fließenden Strom vormagnetisiert.
Mittels der Vormagnetisierung wird die effektive Permeabilität des Kernmaterials
verändert
und somit auch die Induktivität der
Arbeitswicklungen.
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Mit zunehmendem Steuerstrom und in
der Folge sinkender Permeabilität
verschlechtern sich die magnetischen Flußführungseigenschaften für den durch
die äußeren Wicklungen
erzeugten hochfrequenten Fluß in
den äußeren Schenkeln,
so daß gerade
in Bereichen niedriger Induktivität starke elektromagnetische
Störemissionen
auftreten.
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Ein Nachteil dieser aus dem Stand
der Technik bekannten und ähnlicher
Anordnungen liegt darin, daß die
an den Arbeitswicklungen anliegende Wechselspannung in die Steuerspule
transformiert wird, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der
Anordnung verschlechtern. Hinzu kommt, daß die Steuerspule in vielen
Anwendungen eine deutlich größere Windungszahl
aufweist als die Arbeitsspulen, wodurch diese Problematik verschärft wird.
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Dieser Nachteil wurde im Stand der
Technik bereits erkannt, und es wurden Versuche unternommen, ihn
zu beheben. In der britischen Patentanmeldung
GB 2 195 850 A1 wird vorgeschlagen,
einen Kondensator zu der Steuerwicklung parallel zu schalten. In
dem U.S. Patent 6,317,021 wird vorgeschlagen, zur Vermeidung dieses
Problems, eine Parallelschaltung der Arbeitswicklungen vorzusehen.
Das erste Verfahren hat den Nachteil zusätzlicher Verluste aufgrund
eines Kurzschlußstroms
in der Steuerwicklung. Bei der Lösung
des U.S. Patentes 6,317,021 werden die Arbeitswicklungen so verschaltet,
daß sich
die durch diese Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse für die Steuerwicklung ausheben.
Die Aufhebung der Flüsse
(Flußanihilation)
in der Steuerwicklung tritt jedoch nur dann auf, wenn der magnetische
Leitwert in den Außenschenkeln
und dem Mittelschenkel für
beide Seiten des EE Kernes gleich ist. Die herstellungsbedingt unvermeidbaren
parasitären
Luftspalte an den Stoßflächen der
beiden EE-Kernhälften
sind jedoch häufig
Ursachen für
Asymmetrien in dem magnetischen Leitwert. Gemäß dem U.S. Patent 6,317,021
wird durch geeignete Querschnittsverhältnisse der Schenkel des Kerns
für Arbeitsspulen
und Steuerspulen eingestellt, ob auch der Mittelschenkel in die
Sättigung
geht und damit eine Induktivitätsänderung
auch der Steuerspule bewirkt wird. Um zu vermeiden, daß bei steigendem
Sättigungsstrom
der mittlere Schenkel, welcher die Steuerspule trägt, schneller
in die Sättigung geht
als die äußeren Schenkel,
schlägt das
U.S. Patent vor, daß der
mittlere Schenkel eine Querschnittsfläche aufweist, die mindestens
doppelt so groß ist wie
die Querschnittsflächen
der jeweils äußeren Schenkel.
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Ein großer Nachteil aller Anordnungen
auf der Basis von EE-Kernen besteht darin, daß bei hohen Aussteuerungen
das Magnetfeld der Arbeitsspulen zu einem erheblichen Teil den dann
niedrig permeablen Kern verläßt und EMV-relevante
Störfelder entstehen.
Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit hochfrequenten und sehr
starken Strömen
in den Arbeitswicklungen der Fall, beispielsweise wenn die steuerbare
Induktivität
als reaktiver Vorwiederstand zur Regelung der Leistung in Schaltnetzteilen
eingesetzt wird.
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Ein weiteres grundsätzliches
Problem bei der Verwendung von EE Kernen entsteht durch die unvermeidlichen
parasitären
Luftspalte an den Berührungsflächen der
beiden Kernhälften.
Diese verursachen unterschiedliche magnetische Leitwerte für die Feldlinienwege
durch die beiden Arbeitsspulen und somit unterschiedliche Vormagnetisierungen. Daraus
resultieren einerseits erhebliche Toleranzen für den einstellbaren Induktivitätsbereich
der Spulenkonfiguration, andererseits treten Induktivitätsunterschiede
zwischen den Wicklungen der Arbeitsspulen auf. Letzteres bedeutet,
daß die
Spulenkonfiguration positive und negative Halbwellen des Signals
an den Arbeitsspulen unterschiedlich leitet.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,
eine Spulenanordnung mit veränderbarer
Induktivität
anzugeben, die einen großen
Aussteuerbereich hat und geringe elektromagnetische Störfelder
erzeugt, wobei auch die Verlustwärme
der Spulenanordnung niedrig gehalten werden soll. Diese Eigenschaften sind
insbesondere in Schaltnetzteilen mit hoher Leistungsdichte relevant.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht eine Spulenanordnung mit
veränderbarer
Induktivität
vor, die zwei getrennte Ringkernspulen aufweist, welche Arbeitswicklungen tragen,
sowie eine Steuerwicklung, die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials
der Ringkernspulen die beiden bewickel ten Ringkernspulen umgreift.
Erfindungsgemäß wird durch
die Zylindersymmetrie der Ringkerne sowie eine vorzugsweise gleichmäßige Verteilung
der Arbeitswicklungen über
den Umfang der Ringkerne die Magnetfeldstärke außerhalb der Wicklungen erheblich
reduziert, und zwar unabhängig
von der Permeabilität
des Kernes.
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Im Stand der Technik treten nämlich die
elektromagnetischen Störfelder
steuerbarer Induktivitäten
vor allem dann auf, wenn die magnetische Permeabilität des Kernmaterials
aufgrund der Vormagnetisierung klein geworden ist, weil dann das
Magnetfeld der Spule zunehmend außerhalb des Kerns verläuft. Zusätzlich ist
bei niedriger Permeabilität
die Spulenimpedanz gering und der Spulenstrom besonders groß. Durch
Vorsehen von gleichmäßig bewickelten
Ringkernspulen können
die Störfelder
außerhalb
des Kerns jedoch weitgehend vermieden werden.
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Da die erfindungsgemäße Anordnung
keine parasitäten
Luftspalte im Feldlinienweg aufweist, treten die damit verbundenen
Toleranzen- und Asymmetrieprobleme nicht auf. Zudem ermöglicht der
wegen der nicht vorhandenen Luftspalte vergrößerte magnetische Leitwert
eine bessere Aussteuerung des Kerns bzw. einen größeren erreichbaren
Induktivitätsbereichs.
Weiters ist der Herstellungsaufwand für zwei Toroide geringer als
für zwei
E-Kernhälften. Da
die Arbeitswicklungen erfindungsgemäß den gesamten Kern und nicht
nur den äußeren Teil
der Schenkel umgeben, ergibt sich im Vergleich zu dem Stand der
Technik ein vergrößerte Wicklungsbreite. Dadurch
kann mehr Kupfer pro Lage untergebracht werden, was geringere Energieverluste
in den Arbeitswicklungen bewirkt.
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Insbesondere können durch die vorliegende Erfindung
Ringkerne eingesetzt werden, deren Symmetrie und konstante Querschnittsfläche optimale magnetische
Eigenschaften ermöglichen.
Die unerwünschten
Streufelder werden auf ein Minimum reduziert, und durch die Drehsymmetrie
wird gewährleistet,
daß jeder
Bereich des Kerns in gleichem Maße vormagnetisiert ist. Die
Kerne sind entlang ihrer Drehachse stapelbar, ohne ihre elektrischen
Eigenschaften einzubüßen, und
ermöglichen
eine kompakte Bauform bei guten Kühlungseigenschaften.
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Erfindungsgemäß wird die Spulenanordnung aus
wenigstens zwei geschlossenen Ringkernspulen aufgebaut. Die Ringkernform
wird gewählt,
weil die magnetische Sättigung
des Kernmaterials hier besonders vorteilhaft erreicht werden kann.
Rotationssymmetrische Ringkerne sind den im Stand der Technik üblichen
EE-Kernen hinsichtlich der EMV-relevanten Störfelder und der Ausnutzung
des Wicklungsraums überlegen.
Es können
sämtliche
handelsüblichen
runde Ringkerne verwendet werden, wobei die Ringkerne vorzugsweise
einen rechteckigen Grundquerschnitt haben.
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Erfindungsgemäß umfaßt die Spulenanordnung vorzugsweise
zwei Ringkernspulen, die entweder so angeordnet sind, daß ihre Symmetrieachsen zur
Deckung kommen oder die in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander
liegend angeordnet sind.
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Bei einer koaxialen Anordnung der
Ringkernspulen, mit in Deckung gebrachten Symmetrieachsen, ist es
auch möglich,
ganzzahlige Vielfache von jeweils zwei Ringkernspulen entlang der
gemeinsamen Symmetrieachse anzuordnen. Auch wenn die Ringkerne in
einer Ebene angeordnet sind, ist die Spulenanordnung nicht auf zwei
Ringkerne beschränkt.
Es ist möglich,
eine dritte Ringkernspule in derselben Ebene, benachbart zu den
ersten beiden Ringkernspulen anzuordnen, wobei die drei Spulen dann über drei
Steuerwicklungen gekoppelt wären, welche
jeweils zwei der Ringkernspulen umgreifen. Da sich hierdurch die
elektrischen Eigenschaften bezüglich
der Leistungsdichte und des Wirkungsgrad verschlechtern können, ist
es jedoch günstiger,
eine geradzahlige Anzahl von Ringkernspulen miteinander zu koppeln.
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Bei der Ausführungsform mit koaxial übereinander
angeordneten Ringkernspulen werden die Windungen der Steuerwicklung
vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang beider Ringkernspulen verteilt. Hierdurch ergibt sich eine
besonders gute, gleichmäßige Vormagnetisierung
des Kernmaterials.
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Jede der Ringkernspulen ist mit ihrer
Arbeitswicklung vorzugsweise einlagig bewickelt. Dadurch können die
Kupferverluste durch den Hochfrequenzstrom gering gehalten werden.
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Jede Arbeitswicklung kann aus einem
einzelnen isolierten Draht, einer Gruppe parallel geschalteter unverdrillter
isolierter Einzeldrähte
oder aus einer Litze aus verdrillten isolierten Einzeldrähten gebildet werden.
Bei Verwendung von Einzeldrähten
wird der Drahtdurchmesser vorzugsweise auf maximal die dreifache
Skineffekt-Eindringtiefe beschränkt.
Für minimale
Energieverluste, d.h. Kupferverluste, sollte der effektive Kupferquerschnitt
der Wicklungen möglichst
groß sein.
Im Hinblick auf die Energieverluste sollte daher ein möglichst
dicker Draht gewählt
werden. Bei Anwendung von Wechselstrom wird jedoch aufgrund des
Skineffekts der Bereich des Wicklungsdrahtes, der erheblich weiter
als eine Skineffekt-Eindringtiefe
vom Drahtrand entfernt ist, weitgehend unwirksam. Ein Wicklungsdraht,
der dicker als die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe ist, wäre daher
aus Gründen
der Energieeffizienz und Materialausnutzung ungünstig.
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Die Skineffekt-Eindringtiefe δ wird für Kupferdraht
bei realistischen Arbeitstemperaturen näherungsweise wie folgt berechnet:
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Erfindungsgemäß ist jede Arbeitswicklung möglichst
gleichmäßig über den
Umfang der entsprechenden Ringkernspule verteilt. Wie erwähnt ist
die Wicklung vorzugsweise einlagig. Um die Verlustwärme zu minimieren,
sollte die Wickelbreite des Ringkerns, die dem inneren Ringkernumfang
entspricht, möglichst
vollständig
ausgenutzt werden. Sofern die Arbeitswicklung eine Windungsanzahl
aufweist, welche nicht die gesamte Wickelbreite des Ringkerns abdecken
würde,
ist es zweckmäßig, die
Arbeitswicklung in Teilwicklungen aufzuteilen und diese parallel zu
schalten. Hierdurch kann auch sichergestellt werden, daß der Stromfluß gleichmäßig über den
Kern verteilt wird, um so externe magnetische Störfelder zu unterdrükken.
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Anstelle eines Einzeldrahtes oder
paralleler Einzeldrahte kann die Arbeitswicklung auch durch eine
verdrillte Hochfrequenzlitze realisiert werden. Bei Hochfrequenzlitzen
sollte der Durchmesser der Einzeldrähte der Litze kleiner sein
als die einfache Skineffekt-Eindringtiefe.
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Die Arbeitswicklungen der beiden
Ringkernspulen können
parallel oder in Reihe geschaltet werden. In jedem Fall sollte die
Verschaltung der Arbeitswicklung so gewählt werden, daß dann,
wenn die Arbeitswicklungen stromdurchflossen sind, die von ihnen
erzeugten Magnetfeldrichtungen in der Steuerspule einander entgegengesetzt
sind, so daß durch die
Arbeitswicklungen keine Ströme
in der Steuerwicklung induziert werden. Eine Wechselwirkung zwischen
Arbeitswicklungen und Steuerwicklungen ist dadurch ausgeschlossen.
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Eventuelle von den Arbeitswicklungen
stammende in der Steuerwicklung induzierte Ströme können Störungen in der Steuerwicklung
erzeugen und bei energietechnischen Anwendungen zudem eine unerwünscht hohe
zusätzliche
Erwärmung
in der Steuerwicklung hervorrufen. Gleichzeitig wird durch eine
solche Wechselwirkung Energie von den Arbeitswicklungen auf die
Steuerwicklung übertragen, wodurch
die Güte
der Spulenanordnung verringert wird. Bestehen keine Wechselwirkungen
zwischen Steuerwicklung und Arbeitswicklung, so treten bei Flußänderungen
durch die Steuerwicklung keine Störungen in den Arbeitswicklungen
auf.
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Auch Kombinationen von Reihen- und
Parallelschaltungen können
vorgesehen werden.
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Vorteilhafterweise werden die Kerne
aus gleichem Material gefertigt, so daß alle Kerne auf einen entsprechenden
Vormagnetisierungsgrad mit der gleichen effektiven Permeabilität reagieren.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand
bevorzugter Ausführungsformen
mit bezog auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
schematischen Darstellung des Aufbaus einer Spulenanordnung mit
veränderbarer Induktivität gemäß dem Stand
der Technik;
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2A, 2B, 2C eine Draufsicht, eine Seitenansicht
und eine schematische perspektivische Darstellung einer Spulenanordnung
mit veränderbarer Induktivität gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Draufsicht auf eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 und 5 eine schematische Darstellung der
Verschaltung der Wicklungen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Parallelschaltung
bzw. in Reihenschaltung; und
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6 eine
schematische Darstellung der Verschaltung einer Arbeitswicklung
einer Ringkernspule, die in mehrere Teilwicklungen aufgeteilt ist.
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1 zeigt
eine Spulenanordnung mit veränderlicher
Induktivität
gemäß dem Stand
der Technik bestehend aus einem EE-Kern 10 mit einem mittleren 12 und
zwei äußeren Schenkeln 14, 16.
Die beiden äußeren Schenkel
tragen jeweils eine Arbeitswicklung 20, 22, die
parallel zueinander geschaltet sind. Der mittlere Schenkel 12 weist
einen größeren Querschnitt
als die äußeren Schenkel 14, 16 auf
und trägt
eine Steuerwicklung 24. Durch die Steuerwicklung 24 fließt einen
Steuerstrom 30, der im wesentlichen keinen Wechselstromanteil
hat. Dieser erzeugt einen Steuerfluß 32, der sich entsprechend
der magnetischen Kopplung gleichmäßig auf die beiden äußeren Schenkel 14, 16 verteilt 32a,b und
dort die von dem Steuerstrom 30 abhängige Vormagnetisierung erzeugt.
Die beiden in den äußeren Schenkel
erzeugten Flüsse 34a,b ergeben
durch den antisymmetrischen Wicklungssinn der äußeren Arbeitswicklungen 20, 22 in
dem mittleren Schenkel 12 entgegengesetzte Flüsse 34a,b,
deren Beträge
gleich sind, so daß sie
sich dort ausheben. Dadurch gibt es keine Wechselwirkung zwischen
den äußeren Arbeitswicklungen 20, 22 und
der Steuerwicklung 24. Durch die von der Steuerwicklung 24 erzeugte
Vormagnetisierung in den äußeren Arbeitswicklungen 20, 22 haben
diese eine von dem Steuerstrom 30, abhängige veränderliche Induktivität Ivar.
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2A und 2B zeigen eine Draufsicht
bzw. eine Seitenansicht einer Spulenanordnung mit veränderbarer
Induktivität
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Spulenanordnung umfaßt zwei Ringkerne 40, 42 mit
gleichen Abmessungen, die koaxial nebeneinander angeordnet sind,
so daß ihre
Symmetrieachsen, die in 2A schematisch
durch ein Kreuz 44 angedeutet sind, zur Deckung kommen.
Die Ringkerne 40, 42 haben vorzugsweise einen
rechteckigen Basisquerschnitt, wie besser in 2C erkennbar ist. Die Ringkerne bestehen
aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. Jeder Ringkern 40, 42 trägt eine
Arbeitswicklung 46 bzw. 48, von denen in 2A nur eine, 46,
sichtbar ist. Eine Steuerwicklung 50 ist um die beiden
bewickelten Ringkernspulen 40, 46 und 42, 48 gewickelt.
Vorzugsweise sind die Arbeitswicklungen 46, 48 einlagig
auf ihre zugehörigen
Ringkerne 40, 42 gewickelt, wobei die Wickelbreite
so weit wie möglich ausgenutzt
werden soll. Ebenso ist die Steuerwicklung 50 gleichmäßig um den
Umfang beider Ringkerne 40, 42 verteilt, um eine
optimale Führung
des Vormagnetisierungsfeldes und eine homogene Aussteuerung der
Kerne zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein maximaler steuerbarer
Induktivitätsbereich.
Zusätzlich
werden Störfelder,
welche von schnellen Änderungen
der Steuersignale der Steuerspule 50 erzeugt werden können, nach
außen
hin unterdrückt.
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Je nach Anwendung können die
Arbeitswicklungen 46, 48 elektrisch parallel oder
in Reihe geschaltet werden. Der Wicklungssinn der Arbeitswicklungen 40, 42 sollte
jedoch so gewählt
werden, daß sich
für die
Magnetfelder Bx und By, welche von den stromdurchflossenen Wicklungen 46, 48 erzeugt werden,
gegensinnige Magnetfeldrichtungen in der für beide Ringkerne gemeinsamen
Steuerspule 50 ergeben. Die Magnetfeldrichtungen sind in 2B für die Arbeitswicklung 46 mit
Bx, für
die Arbeitswicklung 48 mit By und für die Steuerwicklung 50 mit
Bc bezeichnet. Durch eine geeignete Verschaltung der Arbeitswicklungen 46, 48 kann
so eine Rückwirkung der
durch die Arbeitswicklungen erzeugten Magnetfelder auf die Steuerwicklung 50 minimiert
oder sogar vermieden werden. Durch die gemeinsame Steuerwicklung 50 wird
ein Steuer-Gleichstrom geschickt, der die magnetische Permeabilität der Ringkerne 40, 42 und
dadurch die Induktivität
der Arbeitswicklungen 46, 48 verändern und
insbesondere reduzieren kann. Die Arbeitswicklungen 46, 48 werden
in der Praxis mit einem hochfrequenten Wechselstrom betrieben werden.
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In der Darstellung der 2B sind die beiden Ringkernspulen 40, 46 und 42, 48 mit
gemeinsamen Rotationsachsen, jedoch beabstandet zueinander angeordnet,
um die Bewicklung der Spulen besser darstellen zu können. In
der Praxis können
die beiden Spulen jedoch auch nahe benachbart nebeneinander angeordnet
werden. Während
die Arbeitswicklungen 46, 48 möglichst einlagig, gleichmäßig und
dicht auf die Kerne 40 bzw. 42 gewickelt sein
sollen, sind die Anforderungen an die Wicklung der Steuerspule 50 weniger
streng. Diese sollte zwar auch verteilt um den Umfang beider Spulenkerne 40, 42 gewickelt
werden, die Verteilung muß jedoch
nicht gleichmäßig sein.
Auch ist es nicht entscheidend, ob die Wicklung ein- oder mehrlagig
erfolgt.
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Die gleichmäßig bewickelte Spulengeometrie
ist inhärent
selbstschirmend und verhindert, daß magnetische Streufelder aus
den Kernen 40, 42 austreten. Dadurch werden EMV-relevante
Streufelder verhindert. Auch wird im Vergleich zu den Anordnungen
des Standes der Technik eine gleichmäßigere Magnetisierung erreicht.
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2C dient
lediglich der Erläuterung
der Ausführungsformen
der 2A und 2B, wobei die Arbeitswicklungen 46, 48 und
die Steuerwicklung 50 nur schematisch dargestellt sind,
um zu veranschaulichen, wie die Ringkerne 40, 42 und
die Wicklungen 46, 48, 50 relativ zueinander
angeordnet sind. In der Praxis werden die Arbeitswicklungen 46 und 48 sowie
die Steuerwicklung 50, wie oben erläutert, vorzugsweise um den
Umfang der Ringkerne 40, 42 verteilt angeordnet.
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3 zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform
der Spulenanordnung gemäß der Erfindung
in Draufsicht. In der Ausführungsform
der 3 umfaßt die Spulenanordnung
einen ersten Ringkern 52 sowie einen zweiten Ringkern 54,
die jeweils eine Arbeitswicklung 56 bzw. 58 tragen.
Die Arbeitswicklungen 56, 58 sollten über den
Umfang der Ringkerne 52 bzw. 54 gleichmäßig verteilt
gewickelt sein. Vorzugsweise sind sie jedoch einlagig, gleichmäßig um den
gesamten Umfang der Ringkerne 52, 54 gewickelt,
wie in den 2A und 2B für die erste Ausführungsform
dargestellt. Die beiden Ringspulen 52, 56 und 54, 58 sind
in einer Ebene nebeneinander liegend angeordnet, wobei eine Steuerwicklung 60 nur über einem
schmalen Teil des Umfangs der beiden Ringkerne 52, 54,
wo diese einander berühren,
gewikkelt ist. Der Vorteil der Anordnung der 3 besteht im wesentlichen in der besonders
flachen Bauform und der großen
Oberfläche,
die vorteilhaft für die
Kühlung
der Spulenanordnung ist.
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In den 2B und 2C, in 3 sowie in den 4 und 5 sind
die Arbeitswicklungen auch mit X und Y bezeichnet, und die Steuerwicklung
ist mit C bezeichnet. Die Enden der Arbeitswicklungen X und Y können parallel
geschaltet werden, wie in 4 gezeigt,
oder in Reihe geschaltet werden, wie in 5 gezeigt. Die 4 und 5 zeigen
auch die Wechselwirkung zwischen den Arbeitsspulen X, Y und der
Steuerspule C. Durch geeignete Verschaltung der Arbeitsspulen X
und Y sowie Wahl ihres Wicklungssinns wird sichergestellt, daß die durch
die Arbeitsspulen erzeugten Magnetfelder Bx und By so gerichtet
sind, daß sie
sich in der gemeinsamen Steuerspule C ausheben, um keine Rückwirkung
des durch die Arbeitswicklungen erzeugten Magnetfeldes auf die Steuerwicklung
zu erzeugen.
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Wie oben erläutert, sollten die Arbeitswicklungen 46, 48; 56, 58 auf
den Ringkernen 40, 42 bzw. 52, 54 um
deren Umfang verteilt einlagig ausgeführt werden, um die Kupferverluste
durch den Hochfrequenzstrom, der durch die Arbeitswicklung geht, möglichst
gering zu halten. Der Drahtdurchmesser wird auf maximal die dreifache
Skineffekt-Eindringtiefe beschränkt.
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Um Verlustwärme zu minimieren, sollte ferner
die Wickelbreite möglichst
vollständig
ausgenutzt werden. Mit anderen Worten soll der Wickelraum, d.h.
der Innenumfang der Ringkernspulen möglichst vollständig mit
Kupfer gefüllt
sein, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erhalten. Sofern die Arbeitswicklungen 46, 48; 56, 58 nicht
eine ausreichend hohe Windungszahl haben, ist es zweckmäßig, diese in
Teilwicklungen aufzuteilen, welche parallel geschaltet werden. 6 zeigt die Aufteilung einer
Arbeitswicklung 62 in vier Teilwicklungen 63, 64, 65, 66, welche
parallel geschaltet sind.
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Für
eine vorgegebene Windungszahl N (z.B. N = 4) wird die Anzahl der
erforderlichen, parallel geschalteten Teilwicklungen dadurch ermittelt,
daß zunächst eine
reelle Zahl m aus dem inneren Toroidumfang U; und der Skineffekt-Eindringtiefe δ ermittelt wird,
wobei m dann zur nächsten
ganzen Zahl M aufgerundet wird. Da der Drahtdurchmesser auf die
dreifache Skineffekt-Eindringtiefe begrenzt werden sollte, wie oben
erörtert,
wird ein Faktor 3 eingeführt,
um diese dreifache Skineffekt-Eindringtiefe zu berücksichtigen.
Ferner wird ein Faktor 0,9 eingeführt, welcher der Tatsache Rechnung
trägt,
daß bei
einer praktischen Realisierung einer bewickelten Ringkernspule nicht
die Gesamtwickelbreite zu 100% zur Verfügung steht. Somit ergibt sich
für die
reele Zahl m folgende Formel:
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Abhängig von der Windungszahl N
der jeweiligen Arbeitswicklung werden somit vorzugsweise M Teilwicklungen
auf jedem Ringkern vorgesehen und wie in 6 gezeigt parallel geschaltet.
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Der korrespondierende Drahtdurchmesser
d, der vorzugsweise zu verwenden ist, ergibt sich hieraus wie folgt:
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Anstelle eines Einzeldrahtes oder
mehrerer paralleler Einzeldrähte
können
für die
Arbeitswicklungen auch verdrillte Hochfrequenzlitzen verwendet werden,
wobei dann der Durchmesser der Einzeldrähte entsprechend angepaßt werden
muß und
vorzugsweise kleiner als die einfache Skineffekt-Eindringtiefe ist.
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Die in der vorstehenden Beschreiben,
den Figuren und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Kern
- 12
- mittlerer
Schenkel
- 14,
16
- äußere Schenkel
- 20,
22
- Spulenwicklungen
- 24
- Steuerwicklung
- 30
- Steuerstrom
- 32
- Steuerfluß
- 34a,b
- Flüsse
- 40,
42, 46, 48
- Arbeitswicklungen
- 50
- Steuerwicklung
- 52,
54
- Ringkern
- 56,
58
- Arbeitswicklungen
- 60
- Steuerwicklung
- 62
- Arbeitswicklung
- 63,
64, 65, 66
- Teilwicklungen
