INDUKTIVITÄT, VERFAHREN ZUR SIMULATION, COMPUTERSYSTEM, COMPUTERPROGRAMMPRODUKT

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Induktivität (ID0) mit mindestens einem Kern (CRE), wobei der Kern (CRE) mit einer zumindest abschnittweisen konkaven Form ein Raumvolumen (CVT) zumindest teilweise umschließt, wobei die Induktivität Stromanschlüsse (TRM) aufweist. Zur Erhöhung der Leistungsdichte wird vorgeschlagen, dass zumindest einige der Stromanschlüsse (TRM) zumindest teilweise in dem Raumvolumen (CVT) angeordnet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Induktivität mit mindestens einem Kern, wobei der Kern mit einer zumindest abschnittweisen konkaven Form ein Raumvolumen zumindest teilweise umschließt, wobei die Induktivität Stromanschlüsse aufweist.

[0002] Unter einer Induktivität versteht die Erfindung ein elektrisches oder elektronisches Bauelement mit festem oder einstellbarem Induktivitätswert. Der Begriff Induktivität bezeichnet nicht nur die physikalische Größe mit der Einheit Henry, sondern auch das induktive elektrische und elektronische Bauelement. In der Leistungselektronik werden Induktivitäten als passive Bauteile aufgebaut, um Ströme in elektrischen Leitungen zu begrenzen, Energie in Form eines Magnetfeldes zwischenzuspeichern, zur Anpassung der Impedanz oder zur Filterung verwendet. Zu diesen als Induktivitäten bezeichneten Bauelementen zählen insbesondere Spulen, Übertrager, Baluns, Drosseln und Transformatoren. In der Folge werden die Begriffe Induktivität, Spule und Drossel synonym benutzt.

[0003] Wie alle anderen Bauteile in der Leistungselektronik werden auch bei den Induktivitäten immer größere Leistungsdichten gefordert, um noch kompaktere Filterkomponenten oder filterintegrierte Frequenzumrichter zu entwickeln.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsdichte einer Induktivität zu erhöhen.

[0005] Bei der Entwicklung von Induktivitäten wird bisher an zwei Schwerpunkten optimiert. Ein Schwerpunkt ist der Bereich des Drosselkerns und der Drosselwicklung. Der andere Schwerpunkt ist die Anschlusstechnik. Je nach Leistung und je nach Strömen kann eine herkömmliche Anschlusstechnik bis zu 25% von Gesamt-Drosselvolumen annehmen.

[0006] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe, die Leistungsdichte zu erhöhen, für eine Induktion der eingangs definierten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung führt zu einer höheren Integration aller Drosselbauteile.

[0007] Im Einzelnen ist vorgesehen, dass zumindest einige der Stromanschlüsse zumindest teilweise in dem Raumvolumen, das von der Drossel zumindest teilweise umschlossen ist, angeordnet sind. Dadurch ergibt sich vor allem eine Verlagerung der Anschlusstechnik in einen bisherigen Totraum der Bauteile und außerdem eine Verringerung des Volumens der Anschlusstechnik infolge der Verkürzung der Verbindungswege. Die Erfindung betrifft nicht nur die Induktivität selbst sondern auch Anordnungen, die diese erfindungsgemäße Induktivität - auch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung - aufweisen. Eine entsprechende Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Induktivität kann insbesondere eine Filterbaugruppe oder ein Transformator jeweils umfassend eine erfindungsgemäße Induktivität sein.

[0008] Eine besonders bevorzugte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung sieht vor, dass der Kern der Induktivität als Teil-Ring oder als geschlossener Ring ausgebildet ist. Hierbei kann der Ring oder Teil-Ring eine beliebige Form aufweisen, insbesondere abweichend von einer Kreisform, zum Beispiel auch oval, eiförmig, rechteckig oder vieleckig sein.

[0009] Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Stromanschlüsse länglich ausgebildet sind, insbesondere als Bolzen oder Strombolzen, zur elektrischen Kontaktierung von zum Beispiel einer Leiterplatte. Insbesondere können die Stromanschlüsse zwei Enden aufweisen und im Bereich des ersten Endes mit einer Wicklung der Induktivität leitend verbunden sein und an einem zweiten Ende zum Anschluss an benachbarte Bauelemente vorbereitet oder vorgesehen sein.

[0010] Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Induktivität aus mindestens zwei Einzel-Induktivitäten, bei denen der Kern mit einer zumindest abschnittweisen konkaven Form ein Raumvolumen zumindest teilweise umschließt, derart benachbart angeordnet zusammengesetzt ist, dass diese einzelnen Raumvolumina zueinander angrenzend angeordnet sind, dass ein gemeinsames Raumvolumen gebildet aus den angrenzenden Raumvolumina der Einzel-Induktivitäten gebildet ist, wobei die Stromanschlüsse der Einzel-Induktivitäten in dem gemeinsamen Raumvolumen angeordnet sind. Auf diese Weise wird bei zwei oder mehreren Induktivitäten sehr vorteilhaft Bauraum eingespart, da mehrere stromleitende Verbindungen z.B. Strombolzen, durch die beiden Ringkerndrosseln im gemeinsamen Raumvolumen platzsparend durchgeführt werden können. Somit entsteht eine interne Verdrahtung von beiden Induktivitäten und das Volumen der Anordnung wird nicht unnötig vergrößert.

[0011] Zur Verbesserung der mechanischen Integrität ist es besonders vorteilhaft, wenn in dem Raumvolumen mindestens ein an der Induktivität befestigtes Halterelement angeordnet ist, dass mit zumindest einigen der Stromanschlüsse mechanisch verbunden ist, um die Stromanschlüsse in einer bestimmten räumlichen Position zu halten. Besonders zweckmäßig ist es, dass Haltelement aus Spritzguss herzustellen oder als eine isolierende glasfaserverstärkte Platte (GFK) herzustellen. Weiterhin können die Strombolzen in einem Molding-Verfahren umspritzt werden, so dass alle Strombolzen und das Halterelement zu einer mechanischen Einheit ausgebildet werden können. Hier ist es sinnvoll, wenn das Halterelement aus einem nicht stromleitenden Material besteht oder elektrisch isoliert an zumindest einigen der zu halternden Stromanschlüssen befestigt ist.

[0012] Alternativ kann das Halterelement als Bauteil-bestücktes Leiterelement oder als Bauteil-bestückte Leiterplatte elektrisch leitend mit zumindest einigen der Stromanschlüsse verbunden sein. Diese Ausbildung spart nicht nur Platz oberhalb der Induktivität, sondern reduziert auch die Impedanz der verbindenden Leitung, da die Bauteile, beispielsweise Kondensatoren, sehr kurz angeschlossen werden können.

[0013] Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei einem Einbau der erfindungsgemäßen Induktivität aus einer oder mehreren Einzel-Induktivitäten in ein Filtergerät oder filterintegrierten Frequenzumrichter.

[0014] Die Erfindung und die Weiterbildungen resultieren in einem kompakten System mit entscheidenden Vorteilen:

1) Die Anwendungen mit den innengeführten Stromanschlüssen ermöglichen kompaktere Anschlusstechnik als bei üblichen außerhalb der Induktivitäten platzierten Stromverbindungen

2) Zwei oder mehrere Induktivitäten können; aufeinandergestapelt und mit z.B. innengeführten Stromanschlüssen bzw. Strombolzen untereinander platzsparend verschaltet werden;

3) Eine derartig neuartig verknüpfte Baugruppe bzw. Induktivität ermöglicht ein direktes Anschließen von benachbarten Bauelementen z.B. Filterkondensatoren mit einer kurzen Distanz ohne parasitäre Induktivitätsanteile

4) Die Herstellung so einer erfindungsgemäßen Induktivität kann in einer halb- oder vollautomatisierten Montage; erfolgen, da die Stromanschlüssen bzw. Strombolzen ideal zueinander ausgerichtet sind;

5) Im Innenraum eingesetzte Halterelemente isolieren die Stromanschlüsse zueinander und halten die Wicklung der Induktivität in einem definierten Abstand zu den Kernen;

6) Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht eine Anbindung weiterer Bauteile, z.B. Filterkondensatoren, im Zwischenraum an die Drossel.

[0015] Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht ein Computerimplementiertes Verfahren zur Simulation einer Maschine nach der Erfindung oder einer ihrer Weiterbildungen vor. Hierzu wird bevorzugt ein Computersystem umfassend mindestens einen Computer ausgebildet und vorbereitet zur Simulation gemäß dem Verfahren benutzt. Der Computer oder das Computersystem kann vorteilhaft mittels eines entsprechenden Computerprogrammprodukts zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung oder einer ihrer Weiterbildungen hierfür vorbereitet sein.

[0016] Im Folgenden ist die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele zur Verdeutlichung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische, vereinfachte dreidimensionale Darstellung einer ersten Variante einer Induktivität nach der Erfindung,

Figur 2

eine schematische, vereinfachte dreidimensionale, teilweise geschnittene Darstellung einer Induktivität nach der Erfindung bestehend aus zwei übereinander angeordneten Einzel-Induktivitäten,

Figur 3

die Induktivität nach Figur 2 mit angegliederten zusätzlichen Bauelementen,

Figur 4

eine schematische, vereinfachte dreidimensionale, teilweise geschnittene Darstellung einer Induktivität nach der Erfindung bestehend aus zwei übereinander angeordneten Einzel-Induktivitäten mit in dem umschlossenen Volumen integrierten Bauelementen,

Figur 5

eine schematische Darstellung einer auf einem Computer ablaufenden Simulation des Betriebes einer Induktivität nach der Erfindung, Computerprogrammprodukt.

[0017] Die Figuren 1 - 4 zeigen jeweils schematisch, vereinfacht, dreidimensional Varianten einer Induktivität nach der Erfindung. Die Figuren 2, 3 und 4 sind hierbei teilweise geschnitten dargestellt, um einen Blick in das Innere - das umschlossene Raumvolumen - der dargestellten erfindungsgemäßen Induktivität ID0 zu ermöglichen. Die Induktivität ID0 der Figur 1 weist einen ringförmigen Kern CRE auf, der mit einer konkaven Kontur oder Form ein Raumvolumen CVT umschließt. Die Induktivität weist Stromanschlüsse TRM auf. Die Stromanschlüsse TRM sind in dem Raumvolumen CVT angeordnet sind, können aber auch in nicht dargestellter Weise teilweise aus dem Raumvolumen CVT herausragen oder vollständig in dem Raumvolumen CVT angeordnet sein. Die Induktivität ID0 nutzt das Raumvolumen CVT, welches bei z.B. Ringkern-/ Oval- und Rechteckkern-Drosseln immer vorhanden ist und integriert die elektrisch leitende dreiphasige Anschlusstechnik bzw. die Stromanschlüsse TRM in diesen Zwischenraum. Bei einer Anordnung gemäß Figur 4 werden in dem Raumvolumen CVT, CVC weitere Bauelemente integriert, zum Beispiel Filterkondensatoren.

[0018] In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Induktivität ID0 gezeigt, wobei die Induktivität ID0 aus zwei Einzel-Induktivitäten ID1, ID2 zusammengesetzt ist. Die beiden Einzel-Induktivitäten ID1, ID2 sind derart benachbart angeordnet zusammengesetzt, dass die Raumvolumina CVC zueinander angrenzend angeordnet sind. Auf diese Weise entsteht ein gemeinsames Raumvolumen CVC gebildet aus den angrenzenden Raumvolumina CVT der Einzel-Induktivitäten ID1, ID2. Die Stromanschlüsse TRM der Einzel-Induktivitäten ID1, ID2 sind in dem gemeinsamen Raumvolumen CVC angeordnet.

[0019] In der Figur 2 aufgrund des Schnitts klar sichtbar ist in dem Raumvolumen CVT ein an der Induktivität ID0 befestigtes Halterelement CRR angeordnet. Das Halterelement CRR ist mit den Stromanschlüssen TRM mechanisch derart verbunden, dass die Stromanschlüsse TRM in einer bestimmten räumlichen Position gehalten werden. In Figur 2 ist das Halterelement CRR aus einem nicht stromleitenden Material bzw. elektrisch isolierend ausgebildet an den zu halternden Stromanschlüssen TRM befestigt. Das Halterelement CRR sorgt dafür, dass Wicklungen, Kerne CRE und die Stromanschlüssen TRM bzw. Strombolzen in ihrer Position gehalten werden. Dieser Halterelement CRR kann beispielsweise aus Spritzguss oder einer isolierenden glasfaserverstärkten (GFK) Platte hergestellt werden. Weiterhin können die Strombolzen in einem Molding-Verfahren umspritzt werden, so dass alle Strombolzen und der Isolationshalter zu einer Einheit werden können.

[0020] In der Figur 3 ist die Induktivität ID0 der Figur 2 in einer beispielhaften Kombination mit angrenzenden Bauelementen NEE gezeigt. Die Anschlusssituation ist platzsparend. Einige Stromanschlüsse TRM kontaktieren direkt eine Leiterplatte PCB und andere stehen mit einem separaten Leitermetall CMT in Verbindung.

[0021] Figur 4 zeigt eine Ausführung bzw. eine Anordnung ARR mit einer erfindungsgemäßen Induktivität, bei der das Halterelement CRR als Bauteil-bestückte Leiterplatte PCB elektrisch leitend mit zumindest einigen der Stromanschlüsse TRM verbunden ist. Diese Anschlusstechnik ermöglicht das Anschließen von Filter-Kondensatoren FCD z.B. an den Mittelpunkt der beiden Drossel, mit einer kurzen Distanz. Das ist sehr zweckmäßig, damit keine parasitären Induktivitäten an den Filterkondensatoren entstehen. Die Filterkondensatoren FCD können z.B. auf der Leiterplatte eingelötet werden, wodurch die Montage von Gesamtsystem deutlich schneller erfolgt werden kann. Die Filterkondensatoren können aber auch ohne eine Leiterplatte angeschlossen werden z.B. mittels Drahtleitungen von Filter-kondensatoren direkt an die Strombolzen oder an die Induktivitäten. Weitere Anschlüsse der Drosselbaugruppe (Eingang und Ausgang von Filtergerät) erfolgen z.B. mittels dreiphasiger Stromschienen oder flexiblen oder starren Stromleitungen CDC.

[0022] Alternativ können in dem Zwischenraum die Filterkondensatoren FCD so eingebunden werden, dass sie direkt mit kurzen Leitungen an den Mittelpunkt der Induktivitäten angebunden sind. Diese Anordnungen sparen nicht nur Platz oberhalb der Induktivität ID0 sondern reduzieren auch die Impedanz der Verbindungsleitungen, da die benachbarten Bauelemente sehr kurz angeschlossen sind.

[0023] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer auf einem Computer CMP - hier auf mehreren Computern CMP eines Netzwerks WWB umfassend eine Cloud CLD - ablaufenden Simulation SIM der Induktivität ID0 nach der Erfindung. Die auf den Computern CMP installierte Software ist ein Computerprogrammprodukt CPP, das bei Ausführung auf mindestens einem Computer CMP dem Benutzer mittels Schnittstellen, z.B. mittels Bildschirm und Tastatur eine Einflussnahme bzw. Konfiguration und einen Erkenntnisgewinn auf Basis der ausgeführten Simulation SIM ermöglicht, so dass insbesondere technische Gestaltungsentscheidungen mittels der Simulation unterstützt und verifiziert werden können.

[0024] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.

Ansprüche

1. Induktivität (IDO) mit mindestens einem Kern (CRE), wobei der Kern (CRE) mit einer zumindest abschnittweisen konkaven Form ein Raumvolumen (CVT) zumindest teilweise umschließt, wobei die Induktivität Stromanschlüsse (TRM) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einige der Stromanschlüsse (TRM) zumindest teilweise in dem Raumvolumen (CVT) angeordnet sind.

2. Induktivität (IDO) nach Anspruch 1, wobei der Kern der Induktivität (IDO) als geschlossener Ring ausgebildet ist.

3. Induktivität (IDO) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromanschlüsse (TRM) zwei Enden aufweisen und an einem ersten Ende mit einer Wicklung der Induktivität (IDO) leitend verbunden sind und an einem zweiten Ende zum Anschluss an benachbarte Bauelemente vorgesehen sind.

4. Induktivität (IDO) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktivität (IDO) aus mindestens zwei Einzel-Induktivitäten (ID1, ID2), bei denen der Kern (CRE) mit einer zumindest abschnittweisen konkaven Form ein Raumvolumen (CVT) zumindest teilweise umschließt, derart benachbart angeordnet zusammengesetzt ist, dass die Raumvolumina (CVT) zueinander angrenzend angeordnet sind, dass ein gemeinsames Raumvolumen (CVC) gebildet aus den angrenzenden Raumvolumina (CVT) der Einzel-Induktivitäten (ID1, ID2) gebildet ist,
wobei die Stromanschlüsse (TRM) der Einzel-Induktivitäten (ID1, ID2) in dem gemeinsamen Raumvolumen (CVC) angeordnet sind.

5. Induktivität (IDO) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Raumvolumen (CVT) mindestens ein an der Induktivität (IDO) befestigtes Halterelement (CRR) angeordnet ist, dass mit zumindest einigen der Stromanschlüsse (TRM) mechanisch verbunden ist, um die Stromanschlüsse (TRM) in einer bestimmten räumlichen Position zu halten.

6. Induktivität (IDO) nach dem vorhergehenden Anspruch 5, wobei das Halterelement (CRR) aus einem nicht stromleitenden Material besteht oder elektrisch isoliert an zumindest einigen der zu halternden Stromanschlüssen (TRM) befestigt ist.

7. Computerimplementiertes Verfahren zur Simulation (SIM) einer Induktivität (IDO) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Computersystem (CPS) umfassend mindestens einen Computer (CMP) ausgebildet und vorbereitet zur Simulation gemäß dem Verfahren nach Anspruche 7.

9. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7 mittels eines Computersystems (CPS) nach Anspruch 8.

Zeichnung