INDUKTIVITÄTSANORDNUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Induktivitätsanordnung bzw. die Konstruktion von Induktivitäten, Drosseln, Transformatoren mit sehr hoher Leistungsdichte.

[0002] Drosseln sind übliche Ausführungsbeispiele von Induktivitätsanordnungen. Eine solche Drossel besteht aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei letzterer regelmäßig aus einer Kupferwicklung besteht. Der magnetische Kreis besteht je nach Anwendungsbereich aus geschichteten Dynamoblechen bei kleineren und mittleren Frequenzen, bei höheren Frequenzen z.B. aus Ferrit.

[0003] Eine solche Drossel besteht regelmäßig aus zwei von jeweils einer Kupferwicklung umschlossenen magnetisch leitenden Schenkeln, die durch Joche magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen einem Schenkel und einem Joch je nach Anwendungsfall ein Luftspalt vorgesehen sein kann.

[0004] Die Induktivität einer solchen Drossel berechnet sich hierbei wie folgt:

wobei: A_Fe den Eisenquerschnitt, I_Fe die Länge des Eisenweges, N die Anzahl der Windungen, µ₀ die relative Permeabilität, µ_e die effektive Permeabilität darstellen.

[0005] Die magnetische Induktion berechnet sich demzufolge nach folgender Formel:

[0006] Die magnetische Induktion ist der bestimmende Faktor bei der Auslegung von induktiven Bauelementen bzw. Transformatoren. Eine Vergrößerung der Induktivität der Induktion B bedeutet stets auch eine höhere Leistungsdichte.

[0007] Die Eisenverluste P_{V, Fe} innerhalb des magnetischen Kreises (Kerns) sind in einem großen Bereich bei niedriger Frequenz quadratisch von der Induktion B abhängig. Dies ist in Figur 2 dargestellt. Bei noch größerer Aussteuerung des Dynamobleches steigen die Eisenverluste sehr stark an, weshalb dieser Bereich in der Regel vermieden werden sollte. Bei konventionellen Bauweisen von Drosseln besteht aber nicht die Möglichkeit hohe Verlustleistungen abzuführen, da die Eisenschenkeln durch den Spulenkörpern, also der Kupferwicklung, von der Umgebung isoliert sind. Es gibt hierbei praktisch keine Möglichkeit der Wärmeabstrahlung (Wicklung über Kern) oder der Wärmeableitung (Luftspalt). Somit kann nur eine geringe Verlustleistung aus dem magnetischen Kreis abgeführt werden.

[0008] GB-A-887 081 offenbart eine Induktionsanordnung bestehend aus einem magnetischen Kreis, wobei der magnetische Kreis wenigstens zwei Schenkel aufweist, welche durch geschichtete Pakete gebildet werden, wobei einzelne Pakete des Schenkels für einen Bereich eines elektrischen Kreises derart gegeneinander verschoben sind, daß die Oberfläche des magnetischen Kreises vergrößert ist, und wobei die Schenkel durch wenigstens ein Joch verbunden sind.

[0009] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Kühlung des magnetischen Kreises zu verbessern, den Wirkungsgrad der eingangs beschriebenen Induktionseinrichtung zu verbessern und den Materialverbrauch für die Wicklungen deutlich zu verringern, so daß bei gleichbleibender Leistung ein geringeres Gewicht und eine verringerte Baugröße der Induktionsanordnung erreicht werden kann.

[0010] Diese aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Induktionsanordung nach Anspruch 1 gelöst.

[0011] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß einzelne Blechpakete bei der Induktionsanordnung gegeneinander verschoben sind. Hierdurch wird die Oberfläche an beiden Seiten des Eisenkerns drastisch vergrößert. Diese Vergrößerung der Kühlfläche ist um ein Faktor fünf bis fünfzehn leicht erreichbar. Durch die Verschiebung der Schenkelbleche entstehen sehr wirkungsvolle Kühlkanäle zwischen dem Kern und der sich umgebenden Wicklung.

[0012] Eine Erhöhung der Induktion B um etwa 10% läßt auch eine um 10% höhere Windungszahl zu. Damit steigt jedoch die Induktivität um ca. 121% an, da - siehe Formel 1 - diese proportional zum Quadrat der Windungszahl zunimmt.

[0013] Besonders wirkungsvoll ist es, wenn die gegeneinander verschobenen Bleche bzw. gegeneinander verschobenen Blechpakete um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs ausgerichtet sind. Somit kann die Oberfläche durch die Verschiebung der Bleche auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden, ohne daß sich die Wicklung der benachbarten magnetischen Kreise hierbei näherkommen.

[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierin zeigen:

Figur 1

ein Prinzipbild einer magnetischen Drossel;

Figur 2

Darstellung der Abhängigkeit der Eisenverluste von der Induktion;

Figur 3

Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Induktionsanordnung.

Figur 4

vergleichende Darstellung der Eisenverluste in Abhängigkeit der Induktion bei konventionellen und erfindungsgemäßen Drosseln

[0015] Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Induktionsanordnung am Beispiel einer Drossel 1. Diese besteht im dargestellten Beispiel aus einem magnetischen Kreis 8, zwei elektrischen Kreisen 2 und je nach Anwendungsfall weist der magnetische Kreis auch einen Luftspalt 3 auf. Der magnetische Kreis seinerseits besteht aus vier Elementen, nämlich zwei Jochen 5 und zwei Schenkeln 4.

[0016] Die elektrischen Kreise 2 bestehen regelmäßig aus einer Kupferwicklung oder einer anderen Metallwicklung.

[0017] Die Schenkel und Joche können je nach Anwendungsbereich aus geschichteten Dynamoblechen 7 bei kleineren und mittleren Frequenzen bestehen, bei höheren Frequenzen vorzugsweise auch aus Ferrit oder Eisenpulver.

[0018] Wie in Figur 2 zu sehen, sind bei konventionellen Induktivitäten die Eisenverluste P_{V, Fe} innerhalb des magnetischen Kreises, also die Eisenverluste der Dynamobleche, in einem größeren Bereich bei niedriger Frequenz quadratisch von der Induktion B abhängig.

[0019] Bei noch höherer Aussteuerung (bei noch größerer Induktion) des magnetischen Kreises bzw. der Dynamobleche steigen die Eisenverluste sehr stark an, weshalb dieser Bereich tunlichst vermieden werden sollte.

[0020] Bei konventioneller Bauweise von Drosseln werden die magnetischen Kreise nicht nur aus Dynamoblechen gebildet, sondern diese Dynamobleche bilden auch einen kompakten rechteckigen - oder quadratischen Kern. Dieser Kern wiederum ist vom enganliegenden elektrischen Kreis, also der Kupferwicklung umgeben, so daß der magnetische Kern bzw. der vom magnetischen Kreis umgebenen Schenkel von der Umgebung isoliert sind und daher nicht in der Lage sind, die entstehende Wärme in einem ausreichenden Maße abzuführen. Selbst wenn die nicht umwickelten Teile der Schenkel mit besonderen Maßnahmen gekühlt werden, besteht keine ausreichende Möglichkeit die entstehende Wärme in den Schenkeln über die Wärmeabstrahlung oder eine Wärmeableitung abzuführen. Somit können trotz erheblicher Baugrößen nur relativ geringe Verlustleistungen aus den Schenkeln bzw. dem magnetischen Kreis abgeführt werden.

[0021] Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Induktionsanordnung am Beispiel einer Drossel. Hierbei ist zu sehen, daß die von der Kupferwicklung 2 umgebenen Schenkel 4 aus mehreren Blechen 7 bestehen, die gegeneinander verschoben sind. Ferner sind die Schenkelbleche 7 um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs 5 ausgerichtet, so daß durch die Verschiebung der Schenkel gegeneinander der ursprüngliche Abstand zwischen benachbarten Schenkeln erhalten bleibt. Durch die Verschiebung der Blechpakete 7, welche etwa 2 - 10 mm dick sein können, wird die Oberfläche der Schenkel 4 an den Seiten drastisch vergrößert. Die Vergrößerung der Oberfläche und damit der Kühlfläche um einen Faktor fünf bis fünfzehn ist leicht erreichbar. Da die Schenkel 4 weiterhin von der Kupferwicklung 2 umgeben sind, entstehen sehr wirkungsvolle Kühlkanäle, welche wie bei einem klassischen Kühlkörper in der Lage sind, die Wärme, welche in den Schenkeln durch Verluste entsteht, abzuführen.

[0022] Durch die sehr intensive Kühlung der Schenkel kann die Induktion B erhöht werden, ohne daß hierbei die Schenkeltemperaturen in kritische Bereiche gelangen. Eine Erhöhung der Induktion B um beispielsweise 10% läßt auch eine 10% höhere Windungszahl zu (siehe Gleichung 2).

[0023] Wie aus Gleichung 1 zu ersehen, geht die Windungszahl quadratisch in die Höhe der Induktivität L ein, so daß eine Erhöhung der Induktion B um 10 % einer Steigerung der Induktivität L auf 121 % gleichkommt.

[0024] Da durch die intensive Kühlung der Bleche diese besser ausgenutzt werden können, können dadurch auch gleichzeitig die Schenkel kleiner ausgebildet werden, so daß sich ihr Gewicht verringert. Eine Verringerung der Schenkel bedeutet auch gleichzeitig eine Verringerung der Kupferwickellängen und somit stellt sich auch ein erheblich geringerer Kupferverbrauch ein.

[0025] Somit wird der Wirkungsgrad der Induktivitätsanordnung erheblich verbessert.

[0026] Es konnte gefunden werden, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen bei gleichbleibender Drosselleistung die Baugröße gegenüber konventionellen Drosseln um etwa 30 - 50 % und das Gewicht gegenüber konventionellen Drosseln um mehr als 40 % verringert werden konnte.

[0027] Figur 4 zeigt den Vergleich der benötigten Menge Eisen (Gewicht) des Eisenkerns einer Drossel. Auf der Y-Achse ist der benötigte Eisenvolumen Fe_Vol (Gewicht) aufgetragen. Die X-Achse zeigt die relative magnetische Induktion B, wobei B_st die Induktion B bei herkömmlicher Auslegung (Standard) und B_N die Induktion bei neuartiger Kühlung ist. Der gestrichelte Teil B1 der Kurve gilt bei herkömmlicher Auslegung, der durchgezogene Teil B2 bei neuartiger Kühlung.

[0028] Die jeweils entstehenden Eisenverluste sind für die gezeichnete Kurve konstant. Mit der neuen Kühltechnik können pro Flächeneinheit mehr Verluste abgeführt werden. Somit kann, wie die Kurve zeigt, die Drossel wesentlich kleiner gebaut werden.

[0029] Es ist hierbei zu erkennen, daß durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Drosseln mit einer weitaus höheren Induktion beaufschlagt werden können, wobei hierbei Eisenverluste pro Kilogramm Eisen noch deutlich geringer bleiben als bei konventionellen Drosseln. Somit wird der Bereich der kritischen Eisenverluste bei der erfindungsgemäßen Drossel bei einer wesentlich höheren Induktion B erreicht, wobei die erfindungsgemäße Drossel über eine erheblich geringere Baugröße als konventionelle Drosseln verfügt.

Ansprüche

1. Induktionsanordnung (1) bestehend aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei der magnetische Kreis (8) wenigstens zwei durch wenigstens ein Joch (5) verbundene Schenkel (4) aufweist, die durch geschichtete Bleche (7) gebildet sind und der elektrische Kreis (2) wenigstens eine Metallwicklung, vorzugswelse eine Kupferwicklung, aufweist,
wobei einzelne Bleche (7) bzw. mehrere Blechpakete der Schenkel (4) im Bereich des elektrischen Kreises gegeneinander derart verschoben sind, dass die Oberfläche des magnetischen Kreises (8) vergrößert ist,
und wobei die geschichteten Bleche (7) bzw. Blechpakete wenigstens eines Schenkels (4) entlang von Ebenen ausgerichtet sind, die senkrecht zu einer durch den wenigstens einen Schenkel (4) und das Joch (5) aufgespannten Ebene und parallel zur Rotationsachse der Metallwicklung liegen.

2. Induktionsanordnung nach Anspruch 1, wobei
zwischen dem wenigstens einen Schenkel (4) und dem elektrischen Kreis (2) ein oder mehrere Kühlkanäle (6) ausgebildet sind.

3. Transformator oder Drossel mit einer Induktionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei wenigstens zwei elektrische Kreise (2) ausgebildet sind, die durch den magnetischen Kreis (8) miteinander gekoppelt sind.

Claims

1. Induction arrangement (1) consisting of a magnetic and an electrical circuit, the magnetic circuit (8) having at least two legs (4) connected by at least one yoke (5), which are formed by coated laminations (7), and the electrical circuit (2) having at least one metal winding, preferably a copper winding, single laminations (7) or several packets of laminations of the leg (4) being displaced with respect to one another in the area of the electrical circuit in such a way that the surface area of the magnetic circuit (8) is increased, and the coated laminations (7) or packets of laminations of at least one leg (4) being aligned along planes that lie perpendicular to a plane that stretches through the at least one leg (4) and the yoke (5) and parallel to the axis of rotation of the metal winding.

2. Induction arrangement according to Claim 1, one or more cooling channels (6) being formed between the at least one leg (4) and the electrical circuit (2).

3. Transformer or inductor with an induction arrangement according to one of the preceding claims, at least two electrical circuits (2) being formed, which are coupled with one another by means of the magnetic circuit (8).

Revendications

1. Ensemble inductif (1) se composant d'un circuit magnétique et d'un circuit électrique, le circuit magnétique (8) comprenant au moins deux branches (4) reliées par au moins une culasse (5) et formées par des tôles empilées (7) et le circuit électrique (2) comprenant au moins un enroulement métallique, de préférence un enroulement en cuivré, différentes tôles (7) ou plusieurs paquets de tôles des branches (4) étant décalés entre eux dans la zone du circuit électrique de telle manière que la surface du circuit magnétique (8) est agrandie et les tôles empilées (7) ou les paquets de tôles d'au moins une branche (4) étant orientés le long de plans, qui sont placés perpendiculairement à un plan projeté par l'au moins une branche (4) et la culasse (5), et parallèlement à l'axe de rotation de l'enroulement métallique.

2. Ensemble inductif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre l'au moins une branche (4) et le circuit électrique (2) est(sont) formé(s) un canal ou plusieurs canaux de refroidissement (6).

3. Transformateur ou bobine avec un ensemble inductif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sont formés au moins deux circuits électriques (2), qui sont couplés entre eux par le circuit magnétique (8).

Zeichnung