EP1431986A1 - Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität - Google Patents

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EP1431986A1
EP1431986A1 EP03027851A EP03027851A EP1431986A1 EP 1431986 A1 EP1431986 A1 EP 1431986A1 EP 03027851 A EP03027851 A EP 03027851A EP 03027851 A EP03027851 A EP 03027851A EP 1431986 A1 EP1431986 A1 EP 1431986A1
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EP
European Patent Office
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winding
working
coil arrangement
windings
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03027851A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Weger
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Minebea Co Ltd
Original Assignee
Minebea Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits

Definitions

  • the invention relates to a coil arrangement, the inductance of which can be changed by a control current is.
  • EP-A-0 737 989 discloses a coil assembly with variable inductance, the two has rectangular toroidal cores which have working windings on one leg and control windings wear on an opposite leg of the rectangular toroid.
  • DE-C-36 21 573 discloses a current-compensated radio interference suppressor with two or more toroidal cores and with windings evenly distributed over the circumference of the toroidal cores.
  • Coil arrangements with variable inductance are used in energy technology and communications technology Applications. Such an application of coils with variable Inductance is in the range of switching power supplies, in the high frequency range adapting energy transfer to the fluctuating load requirements.
  • control current increases and permeability decreases, it deteriorates the magnetic flux guiding properties for that generated by the outer windings high-frequency flow in the outer legs, so that especially in areas of low inductance strong electromagnetic interference emissions occur.
  • a disadvantage of these and similar arrangements known from the prior art lies in that the AC voltage applied to the working windings in the control coil is transformed, whereby the electrical properties of the arrangement deteriorate.
  • the control coil has a significantly larger number of turns in many applications has than the work coils, which exacerbates this problem.
  • the two EE core halves are often causes for asymmetries in the magnetic Conductance.
  • U.S. Patent 6,317,021 is based on suitable cross-sectional ratios the leg of the core for work coils and control coils set whether the Middle leg goes into saturation and thus a change in inductance also of the control coil is effected.
  • the middle Thigh which carries the control coil, saturates faster than the outer Thigh beats the U.S. Patent that the middle leg has a cross-sectional area, which is at least twice the cross-sectional area of the outer one Leg.
  • a major disadvantage of all arrangements based on EE cores is that high levels of the magnetic field of the work coils to a large extent then low permeable core leaves and EMC-relevant interference fields arise. This is particularly so for applications with high-frequency and very strong currents in the working windings the case, for example, when the controllable inductance is used as a reactive pre-resistance Regulation of the power in switching power supplies is used.
  • the invention provides a coil arrangement with variable inductance, the two separate Has toroidal coils, which carry working windings, as well as a control winding, which wound the two to pre-magnetize the core material of the toroid coils Encompasses toroidal coils.
  • the cylindrical symmetry of the ring cores and a preferably even distribution of the work windings over the circumference the ring cores significantly reduce the magnetic field strength outside the windings, and independent of the permeability of the core.
  • the electromagnetic interference fields of controllable inductances occur especially when due to the magnetic permeability of the core material the premagnetization has become small, because then the magnetic field of the coil is increasing runs outside the core.
  • the coil impedance is at low permeability low and the coil current particularly large.
  • the arrangement according to the invention has no parasitic air gaps in the field line path, the associated tolerance and asymmetry problems do not occur. Also enables the increased magnetic conductance due to the absence of air gaps better control of the core or a larger achievable inductance range. Furthermore, the manufacturing effort for two toroids is less than for two E-core halves. There the working windings according to the invention the entire core and not only the outer part surrounded the leg, there is an enlarged compared to the prior art Winding width. This allows more copper to be stored per layer, which is less Energy losses in the working windings causes.
  • the present invention can use ring cores whose Symmetry and constant cross-sectional area enable optimal magnetic properties.
  • the unwanted stray fields are reduced to a minimum, and by the rotational symmetry it is ensured that every area of the core is premagnetized to the same extent is.
  • the cores can be stacked along their axis of rotation without their electrical properties lose, and allow a compact design with good cooling properties.
  • the coil arrangement is made up of at least two closed ring core coils built up.
  • the toroidal shape is chosen because the magnetic saturation of the Core material can be achieved particularly advantageously here.
  • Rotationally symmetrical ring cores are the EE kemen usual in the state of the art with regard to the EMC relevant Interference fields and the utilization of the winding space. It can all commercially available round ring cores are used, the ring cores preferably a rectangular one Have a basic cross-section.
  • the coil arrangement preferably comprises two toroidal coils, which either are arranged so that their axes of symmetry coincide or that in one common plane are arranged side by side.
  • the toroidal core coils In the case of a coaxial arrangement of the toroidal core coils, with axes of symmetry aligned, it is also possible to use integer multiples of two toroidal coils each to arrange the common axis of symmetry. Even if the toroidal cores are in one plane are arranged, the coil arrangement is not limited to two toroidal cores. It is possible, a third toroid coil in the same plane, adjacent to the first two toroid coils to be arranged, the three coils then being coupled via three control windings, which each encompass two of the toroidal coils. Because this changes the electrical properties in terms of power density and efficiency, it is however, cheaper to couple an even number of toroidal coils together.
  • Windings of the control winding preferably evenly over the circumference of both ring core coils distributed. This results in a particularly good, uniform premagnetization of the core material.
  • Each of the toroidal coils is preferably wound in one layer with its working winding. Thereby the copper losses due to the high-frequency current can be kept low.
  • Each working winding can consist of a single insulated wire, a group of parallel ones untwisted insulated single wires or from a strand of twisted insulated Individual wires are formed.
  • the wire diameter preferably limited to a maximum of three times the skin effect penetration depth.
  • Copper losses should be the effective copper cross section of the windings be as large as possible. With regard to the energy losses, one should therefore, if possible thick wire can be selected.
  • due to the Skin effect is the area of the winding wire that is significantly wider than a skin effect penetration depth removed from the edge of the wire, largely ineffective. A winding wire that thicker than three times the skin effect penetration depth would therefore be for reasons of energy efficiency and material utilization unfavorable.
  • the skin effect penetration depth ⁇ is calculated approximately as follows for copper wire at realistic working temperatures: ⁇ [ mm ] ⁇ ⁇ [ kHz ] 2.2
  • each work winding is as uniform as possible over the scope of the corresponding one Toroidal core coil distributed.
  • the winding is preferably single-ply.
  • the winding width of the toroid should be that of the inner one Corresponds to the ring core circumference, be used as completely as possible.
  • the work winding has a number of turns which does not cover the entire winding width of the ring core would cover, it is appropriate to divide the work winding into partial windings and connect them in parallel. This can also ensure that the current flow is evenly distributed over the core so as to suppress external magnetic interference fields.
  • the work winding can also can be realized by a twisted high frequency stranded wire.
  • the The diameter of the individual wires of the strand may be smaller than the simple skin effect penetration depth.
  • the working windings of the two toroid coils can be connected in parallel or in series become.
  • the connection of the work winding should be chosen so that when the working windings have current flowing through them, the magnetic field directions generated by them are opposed to each other in the control coil, so that through the work windings no currents are induced in the control winding. An interaction between Working windings and control windings are excluded.
  • the cores are advantageously made of the same material, so that all cores are on a corresponding degree of bias react with the same effective permeability.
  • Figure 1 shows a coil arrangement with variable inductance according to the prior art consisting of an EE core 10 with a central 12 and two outer legs 14, 16.
  • the two outer legs each carry a working winding 20, 22, which are connected in parallel to each other.
  • the middle leg 12 has a larger cross section than the outer legs 14, 16 and carries a control winding 24.
  • a control current 30 flows through the control winding 24 and has essentially no AC component. This generates a control flux 32, which, according to the magnetic coupling, is distributed evenly over the two outer legs 14, 16 32a, b and there generates the premagnetization dependent on the control current 30.
  • the two rivers 34a, b generated in the outer leg result in opposite rivers 34a, b in the middle leg 12 due to the antisymmetric winding direction of the outer working windings 20, 22, the amounts of which are equal, so that they cancel each other out.
  • the outer working windings 20, 22 Due to the premagnetization generated by the control winding 24 in the outer working windings 20, 22, these have a variable inductance I var which is dependent on the control current 30.
  • FIG. 2A and 2B show a top view and a side view of a coil arrangement with changeable inductance according to a first embodiment of the invention.
  • the coil arrangement comprises two toroidal cores 40, 42 with the same dimensions, which are coaxial with each other are arranged so that their axes of symmetry, which are shown schematically in Fig. 2A by a Cross 44 are indicated, come to cover.
  • the toroidal cores 40, 42 preferably have a rectangular base cross-section, as can be seen better in FIG. 2C.
  • the ring cores exist made of a ferro- or ferrimagnetic material.
  • Each toroidal core 40, 42 carries one Working winding 46 or 48, of which only one, 46, is visible in FIG. 2A.
  • a tax winding 50 is wound around the two wound toroid coils 40, 46 and 42, 48.
  • the working windings 46, 48 are single-ply on their associated toroidal cores 40, 42 wound, whereby the winding width should be used as much as possible.
  • Control winding 50 evenly distributed around the circumference of both toroids 40, 42 to one optimal guidance of the magnetic field and homogeneous control of the cores to reach. This results in a maximum controllable inductance range. additionally become interference fields resulting from rapid changes in the control signals of the control coil 50 can be generated, suppressed to the outside.
  • the working windings 46, 48 can be electrically parallel or in series be switched.
  • the winding direction of the working windings 40, 42 should, however, be chosen in this way be that for the magnetic fields Bx and By, which are affected by the current Windings 46, 48 are generated in opposite magnetic field directions for both Ring cores common control coil 50 result.
  • the magnetic field directions are in Fig. 2B for the work winding 46 with Bx, for the work winding 48 with By and for the control winding 50 labeled Bc.
  • the common Control winding 50 is sent a control direct current that has the magnetic permeability of the ring cores 40, 42 and thereby change the inductance of the working windings 46, 48 and in particular can reduce.
  • the working windings 46, 48 are used in practice be operated with a high-frequency alternating current.
  • the two toroidal coils 40, 46 and 42, 48 are common Axes of rotation, but spaced apart from each other, around the winding of the To be able to display coils better. In practice, however, the two coils can also be close be arranged next to each other. While the work windings 46, 48 if possible are to be wound in one layer, evenly and tightly on the cores 40 and 42, respectively Control coil 50 winding requirements less stringent. This should, too distributed around the circumference of both coil cores 40, 42 are wound, the distribution must however not be even. It is also not important whether the winding is on or off done in several layers.
  • the evenly wound coil geometry is inherently self-shielding and prevents magnetic stray fields emerge from the cores 40, 42. This makes EMC relevant Stray fields prevented. Also compared to the arrangements of the prior art achieved a more uniform magnetization.
  • FIG. 2C only serves to explain the embodiments of FIGS. 2A and 2B, the Working windings 46, 48 and the control winding 50 are only shown schematically in order to illustrate how the toroidal cores 40, 42 and the windings 46, 48, 50 relative to each other are arranged.
  • the working windings 46 and 48 as well as the tax winding 50 as explained above, preferably distributed around the circumference of the ring cores 40, 42 arranged.
  • the coil arrangement comprises one first toroidal core 52 and a second toroidal core 54, each having a working winding 56 or wear 58.
  • the working windings 56, 58 should extend over the circumference of the toroidal cores 52 or 54 evenly distributed. However, they are preferably single-ply, uniform wrapped around the entire circumference of the toroidal cores 52, 54 as in Figs. 2A and 2B shown for the first embodiment.
  • the two ring coils 52, 56 and 54, 58 are in one level next to each other, with a control winding 60 only over one narrow part of the circumference of the two toroidal cores 52, 54, where they touch each other, coiled is.
  • the advantage of the arrangement of FIG. 3 consists essentially in the particularly flat Design and the large surface area, which is advantageous for cooling the coil arrangement is.
  • the work windings 46, 48; 56, 58 on the ring cores 40, 42 or 52, 54 are distributed around the circumference in a single layer to the copper losses to be kept as low as possible by the high-frequency current that passes through the working winding.
  • the wire diameter is limited to a maximum of three times the skin effect penetration depth.
  • the winding width should also be used as fully as possible become.
  • the changing room i.e. the inner circumference of the ring core coils be filled as completely as possible with copper in order to achieve maximum efficiency receive.
  • the work windings 46, 48; 56, 58 not a sufficiently high number of turns have, it is useful to divide them into partial windings, which are connected in parallel become.
  • 6 shows the division of a working winding 62 into four partial windings 63, 64, 65, 66, which are connected in parallel.
  • M partial windings are provided on each toroid and in parallel as shown in Fig. 6 connected.
  • the diameter then the individual wires must be adjusted accordingly and preferably smaller than that is simple skin effect penetration depth.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, mit zwei getrennten Ringkemspulen, die Arbeitswicklungen tragen, und einer Steuerwicklung, die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials der Ringkemspulen die beiden bewickelten Ringkemspulen umgreift. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung, deren Induktivität durch einen Steuerstrom veränderbar ist.
Aus dem U.S. Patent 2,274,059 ist eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität bekannt, welche zwei rechteckige Ringkerne aufweist, die Arbeitswicklungen und jeweils zwei miteinander verbundene Steuerwicklungen auf getrennten Schenkeln der Kerne auftragen.
Die EP-A-0 737 989 offenbart eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, die zwei rechteckige Ringkerne aufweist, welche Arbeitswicklungen auf einem Schenkel und Steuerwicklungen auf einem gegenüberliegenden Schenkel der rechteckigen Ringkerne tragen.
Die DE-C-36 21 573 offenbart eine stromkompensierte Funk-Entstördrossel mit zwei oder mehr Ringkernen und mit gleichmäßig über den Umfang der Ringkerne verteilten Wicklungen.
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.
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.
Eine der ersten Veröffentlichungen hierzu ist das U.S. Patent 2,229,952 von Whiteley und Ludbrook mit dem Titel "Magnetic Amplifier" 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.
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.
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 verschlechtem. Hinzu kommt, daß die Steuerspule in vielen Anwendungen eine deutlich größere Windungszahl aufweist als die Arbeitsspulen, wodurch diese Problematik verschärft wird.
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 aufheben. 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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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 bewickelten 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.
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.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird die Spulenanordnung aus wenigstens zwei geschlossenen Ringkemspulen aufgebaut. Die Ringkernform wird gewählt, weil die magnetische Sättigung des Kernmaterials hier besonders vorteilhaft erreicht werden kann. Rotationssymmetrische Ringkeme sind den im Stand der Technik üblichen EE-Kemen 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.
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.
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 Ringkemspulen 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.
Bei der Ausführungsform mit koaxial übereinander angeordneten Ringkernspulen werden die Windungen der Steuerwicklung vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang beider Ringkemspulen verteilt. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute, gleichmäßige Vormagnetisierung des Kernmaterials.
Jede der Ringkernspulen ist mit ihrer Arbeitswicklung vorzugsweise einlagig bewickelt. Dadurch können die Kupferverluste durch den Hochfrequenzstrom gering gehalten werden.
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.
Die Skineffekt-Eindringtiefe δ wird für Kupferdraht bei realistischen Arbeitstemperaturen näherungsweise wie folgt berechnet: δ[mm] ≈ ƒ[kHz] 2,2
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 Ringkems 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.
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.
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.
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.
Auch Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen können vorgesehen werden.
Vorteilhafterweise werden die Kerne aus gleichem Material gefertigt, so daß alle Kerne auf einen entsprechenden Vormagnetisierungsgrad mit der gleichen effektiven Permeabilität reagieren.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
Fig. 1
eine schematischen Darstellung des Aufbaus einer Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2A, 2B, 2C
eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine schematische perspektivische Darstellung einer Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3
eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 und 5
eine schematische Darstellung der Verschaltung der Wicklungen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Parallelschaltung bzw. in Reihenschaltung; und
Fig. 6
eine schematische Darstellung der Verschaltung einer Arbeitswicklung einer Ringkernspule, die in mehrere Teilwicklungen aufgeteilt ist.
Figur 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 aufheben. 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.
Fig. 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 Fig. 2A schematisch durch ein Kreuz 44 angedeutet sind, zur Deckung kommen. Die Ringkerne 40, 42 haben vorzugsweise einen rechteckigen Basisquerschnitt, wie besser in Fig. 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 Fig. 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.
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 Fig. 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.
In der Darstellung der Fig. 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.
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.
Fig. 2C dient lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen der Fig. 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.
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Spulenanordnung gemäß der Erfindung in Draufsicht. In der Ausführungsform der Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 besteht im wesentlichen in der besonders flachen Bauform und der großen Oberfläche, die vorteilhaft für die Kühlung der Spulenanordnung ist.
In den Fig. 2B und 2C, in Fig. 3 sowie in den Fig. 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 Fig. 4 gezeigt, oder in Reihe geschaltet werden, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Fig. 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 aufheben, um keine Rückwirkung des durch die Arbeitswicklungen erzeugten Magnetfeldes auf die Steuerwicklung zu erzeugen.
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.
Um Verlustwärme zu minimieren, sollte ferner die Wickelbreite möglichst vollständig ausgenutzt werden. Mit anderen Worten soll der Wickelraum, d.h. der Innenumfang der Ringkemspulen 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. Fig. 6 zeigt die Aufteilung einer Arbeitswicklung 62 in vier Teilwicklungen 63, 64, 65, 66, welche parallel geschaltet sind.
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 Ui 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: m = 0.9·Ui 3·δ·N
Abhängig von der Windungszahl N der jeweiligen Arbeitswicklung werden somit vorzugsweise M Teilwicklungen auf jedem Ringkern vorgesehen und wie in Fig. 6 gezeigt parallel geschaltet.
Der korrespondierende Drahtdurchmesser d, der vorzugsweise zu verwenden ist, ergibt sich hieraus wie folgt: d = 0.9·Ui N·M
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.
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.
Bezugszeichenliste
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

Claims (12)

  1. Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, mit zwei getrennten runden Ringkernen (40, 42; 52, 54), die jeweils Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58) tragen, und einer Steuerwicklung (50), die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials der Ringkerne (40, 42; 52, 54) die beiden bewickelten Ringkerne umgreift.
  2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkerne (40, 42) derart nebeneinander angeordnet sind, daß ihre Symmetrieachsen (44) zur Deckung kommen.
  3. Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Steuerwicklung (50) gleichmäßig über den Umfang beider Ringkerne (40, 42) verteilt sind.
  4. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringkerne (52, 54) in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander liegend angeordnet sind.
  5. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringkern (40, 42; 52, 54) mit der Arbeitswicklung (46, 48; 56, 58) einlagig bewickelt ist.
  6. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Arbeitswicklung (46, 48; 56, 58; 62) von einem einzelnen isolierten Draht, einer Gruppe parallel geschalteter unverdrillter isolierter Einzeldrähte oder von einer Litze aus verdrillten isolierten Einzeldrähten gebildet wird.
  7. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Arbeitswicklung (46, 48; 56, 58; 62) gleichmäßig über den Umfang der entsprechenden Ringkerne verteilt ist.
  8. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringkerne (40, 42; 52, 54) identische Abmessungen und die beiden Arbeitsspulen (46, 48; 56, 58) im wesentlichen identische Windungszahlen und identische Drahtstärken aufweisen.
  9. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58; 62) aus einem Einzeldraht oder parallel geschalteten unverdrillten Einzeldrähten besteht, wobei der Einzeldrahtdurchmesser nicht größer als die dreifache Skineffekt-Eindringtiefe der Arbeitsfrequenz ist.
  10. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58; 62) aus einer verdrillten Litze bestehen, deren Einzeldrahtdurchmesser nicht größer als die einfache Skineffekt-Eindringtiefe der Arbeitsfrequenz ist.
  11. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58) parallel geschaltet sind und der Windungssinn der Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58; 62) jeweils so gewählt ist, daß bei Stromfluss in den Arbeitswicklungen deren Magnetfeldrichtungen in der Steuerspule (50) einander entgegengesetzt sind.
  12. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58) in Reihe geschaltet sind und der Windungssinn der Arbeitswicklungen (46, 48; 56, 58; 62) jeweils so gewählt ist, daß bei Stromfluss in den Arbeitswicklungen deren Magnetfeldrichtungen in der Steuerspule (50) einander entgegengesetzt sind.
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