DE19816485C2 - Spule für Hochsetzsteller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule für einen Hochsetzsteller mit einem Kern, welcher mindestens einen Luftspalt aufweist.

Spulen werden in der gesamten Elektrotechnik vielfach verwendet. Insbesondere Gleichstromdrosselspulen werden auch zunehmend in der modernen Leistungselek­ tronik im höheren Leistungsbereich eingesetzt. Dabei finden Sie Anwendung bei der Glättung von pulsierendem Gleichstrom, beim Filtern von Gleichstrom und beim Entkoppeln von Systemen. Weiterhin werden Gleichstromdrosselspulen als Spannungsregler beispielsweise als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller verwendet.

Ein Hochsetzsteller aus dem Stand der Technik, welcher die Eingangsspannung von einem niedrigen Spannungslevel auf eine höhere Spannungsebene regelt, ist in der Fig. 1 in Form einer typischen Schaltung dargestellt. Bei einem Arbeitsvorgang des Hochsetzstellers wird die Induktivität L₁ mit Energie aus dem Kondensator C₁ mittels des geschlossenen Schalters S₁ geladen. Nach dem Ladevorgang wird der Schalter S₁ geöffnet, und die geladene Energie der Induktivität L₁ fließt über die Diode D₁ in den Kondensator C₂. Auf diese Weise wird der Kondensator C₂ auf eine höhere Spannung U₂ geladen. Die Effektivität des Hochsetzstellers gemäß Fig. 1 ist von der Ladekapazität der Spule L₁, das heißt der Höhe der Induktivität L und von der Häufigkeit des Ladevorgangs pro Zeiteinheit, das heißt der Frequenz, abhängig. Die Induktivität L der Spule ist wiederum proportional zu der magneti­ schen Induktion B.

Aus dem Stand der Technik ist es wohlbekannt, daß die magnetische Induktion B einer Spule aber nicht proportional zu der magnetischen Feldstärke H ist. Dies liegt daran, daß die Permeabilitätszahl µ_r bei steigender Feldstärke H bei einem Ferromagneten, wie er für den normalerweise als Ring ausgebildeten Kern einer Spule üblicherweise verwendet wird, nicht konstant bleibt. Es entsteht daher - nach erfolgter Neumagnetisierung - bei einer Zu- oder Abnahme der magnetischen Feldstärke H eine Hysteresekurve, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Graph zeigt, daß sich die magnetische Flußdichte B zwischen zwei Sättigungswerten B_S und -B_S bewegt. Die Sättigungsinduktion B_S tritt je nach dem für den Spulenkern verwendeten Material bei verschiedenen Feldstärken H auf. Die verwendeten Materialien richten sich im wesentlichen nach der Arbeitsfrequenz, bei der die Spule Verwendung findet. Bei Schaltfrequenzen bis zu 400 Hz wird üblicherweise Stahl für den Ringkern verwendet, wobei den nachteiligerweise relativen hohen, sich aus W = 1/2 LI² ergebenden Ummagnetisie­ rungsverlusten Induktionswerte von bis zu 1.7 T gegenüber stehen. Bei höheren Arbeitsfrequenzen, das heißt Frequenzen von bis zu 100 kHz, werden Ferritmateria­ lien für den Spulenkern verwendet. Nachteilig ist jedoch daß, die maximale Induktion von Ferritmaterialien nur bei ca. 0.25 T liegt. Die Ummagnetisie­ rungsverluste sind jedoch geringer als bei der Verwendung von Stahl als Ringkern­ material.

Problematisch bei den bekannten Spulen ist es darüber hinaus, daß die Sättigungs­ flußdichte B_S proportional zur Größe der Spule ist. Im Stand der Technik sind daher sehr große Spulen erforderlich, wenn eine große Flußdichte realisiert werden soll.

Ein Beispiel für eine Hysteresekurve einer - wie oben erwähnt - als Hochsetzsteller verwendeten Gleichstromdrosselspule ist in der Fig. 3 dargestellt. Der Graph zeigt, daß sich der eigentliche Arbeitsbereich der Drossel, in der Figur mit Pfeilen gekennzeichnet, nur auf einen relativ kleinen Bereich eines Quadranten des Graphen erstreckt. Es findet daher im Stand der Technik eine schlechte Ausnutzung der Spulen statt.

Aus DE 36 09 617 und der DE-U 79 24 989 ist es bekannt, in einem Luftspalt ei­ nes Spulenkerns magnetisches Material so anzuordnen, daß der Luftspalt hiermit ausgefüllt ist. Zudem offenbart DE GM 79 24 989 einen magnetischen Energiespei­ cher, in dem auch ein Permanentmagnet einen Luftspalt ausfüllt, dessen Magnetfluß dem in einer Spule erzeugten Magnetfluß entgegengesetzt ist. Auch mit Spulenker­ nen, wie sie im vorgenannten Stand der Technik beschrieben sind, lassen sich die beschriebenen Nachteile kaum vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Spule der eingangs genannten Art, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Spule zur Verfügung zu stellen, die eine bessere Ausnutzung der Hystereseschleife als bei den Spulen im Stand der Technik aufweist. Diese Aufgabe wird mit einer Spule mit dem Merkmal nach An­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Durch die Erfindung wird vorteilhafterweise eine negative magnetische Vorspan­ nung der Spule vorgenommen. Auf diese Weise vergrößert sich der mögliche mag­ netische Hub, d. h. die mögliche maximale magnetische Induktion, bis auf das Doppelte des aus dem Stand der Technik Bekannten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das magnetische Material dauermagnetisches Material ist. Der Dauermagnet befindet sich bevorzugt mit gleichem Querschnitt, wie der bevorzugt aus Stahl bestehende Ringkern, in dem Luftspalt des Ringkerns. Durch den Dauermagneten in dem Luftspalt wird die erfindungsgemäße Spule dauerhaft magnetisch vorgespannt.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen zusätzlich zu den Fig. 1-3 aus dem Stand der Technik die

Fig. 4 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Spule;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Spule;

Fig. 6 einen Graphen, welcher den Hystereseverlauf bei einer erfindungsgemäßen Spule darstellt.

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Spule 2 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Spule 2 weist einen Ringkern 4 mit quadratischer Grundform auf. Der Ringkern 4 weist vier Schenkel 6 auf. Einer der Schenkel 6, in der Fig. 4 links dargestellt, weist einen Luftspalt 8 auf. Um die Schenkel 6 des Ringkerns 4 gewickelt sind die - nur teilweise auf dem in der Fig. 4 unten dargestellten Schenkel 6 dargestellten - Windungen 10 der Spule 2.

Innerhalb des Luftspaltes 8 in dem Ringkern 4 der Spule 2 befindet sich ein Dauermagnet 12. Der Dauermagnet 12 weist den gleichen Querschnitt auf, wie in der in der Fig. 4 links dargestellte Schenkel 6 des Ringkerns 4. Der Dauermagnet 12 füllt den Luftspalt 8 nicht ganz aus, sondern ist von den dem Luftspalt 8 zugewandten Enden 14 des in der Fig. 4 links dargestellten Schenkels 6 des Ringkerns 4 leicht unter jeweiliger Bildung eines Luftspaltes zu den jeweiligen Enden 14 beabstandet. In der Fig. 4 ist der innerhalb des Ringkerns 4 verlaufende, ursprüngliche magnetische Fluß der Spule 2 mit gestrichelten Linien 16 angedeutet. Durch eine geschlossene, innerhalb des Ringkerns 4 verlaufende Linie 18 ist der magnetische Fluß angedeutet, welcher von dem sich in dem Luftspalt 8 befinden­ den Dauermagneten 12 herrührt.

In der Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Zur Verdeutlichung sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 4. Die Ausführungsform in der Fig. 5 zeigt ebenfalls eine Spule 2 in einer Draufsicht mit einem Ringkern quadratischer Grundform, auf welchem - ebenfalls nur teilweise dargestellte - Windungen 10 aufgewickelt sind. In dem Luftspalt 8 des Ringkerns 4 der Spule 2 befindet sich ebenfalls ein Dauermagnet 20. Der Dauermagnet 20 ist jedoch im Querschnitt kleiner als der Querschnitt des mit dem Luftspalt 8 versehenen Schenkels 6 des Ringkerns 4.

Die Fig. 6 zeigt die Wirkung des Dauermagneten 12 bzw. 20 auf die Hysteresekur­ ve der Spule 2. In der Fig. 6 ist die magnetische Induktion B gegenüber der magnetischen Feldstärke H in Form einer Hysteresekurve 22 aufgetragen. Innerhalb der Hysteresekurve 22 der Fig. 6 deutet einen mit Pfeilen versehene, geschlossene Linie 24 den Arbeitsbereich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule an. Durch die negative magnetische Vorspannung der erfindungsgemäßen Spule auf den Punkt A der Fig. 6 ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Vergrößerung der möglichen maximalen magnetischen Induktion B der Spule. Der Arbeitsbereich der Spulen aus dem Stand der Technik ist in der Fig. 3 mit einer geschlossenen Linie angedeutet.

Claims (8)

1. Spule für Hochsetzsteller mit einem Kern (4), welcher mindestens einen Luftspalt (8) aufweist, wobei sich in dem Luftspalt (8) vom Kern (4) beabstandet ein Dauermagnet (12) befindet, mittels dem die Spule negativ vorgespannt ist.

2. Spule nach Anspruch 1, wobei der Dauermagnet (12) in Form eines kom­ pakten Körpers vorliegt.

3. Spule nach Anspruch 1, wobei der Dauermagnet (12) im Querschnitt die gleiche Form wie der Kern (4) aufweist.

4. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kern (4) aus einem Ferritmaterial besteht.

5. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kern (4) aus Stahl besteht.

6. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kern (4) in Form eines kreisförmigen oder rechteckigen Ringes vorliegt.

7. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Feldlinien des von dem Dauermagneten (12) verursachten magnetischen Feldes im wesentlich parallel zu den in dem Luftspalt (8) des Kerns (4) verlaufenden Feldli­ nien des von der Spule verursachten magnetischen Feldes verlaufen.

8. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spule eine Drosselspule ist.