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WO2000067265A1 - Induktivitätsanordnung - Google Patents

Induktivitätsanordnung Download PDF

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WO2000067265A1
WO2000067265A1 PCT/EP2000/001582 EP0001582W WO0067265A1 WO 2000067265 A1 WO2000067265 A1 WO 2000067265A1 EP 0001582 W EP0001582 W EP 0001582W WO 0067265 A1 WO0067265 A1 WO 0067265A1
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leg
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magnetic
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Aloys Wobben
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/085—Cooling by ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented

Definitions

  • the invention relates to an inductance arrangement or the construction of inductors, chokes, transformers with a very high power density.
  • Chokes are common examples of inductance arrangements.
  • Such a choke consists of a magnetic and an electrical circuit, the latter regularly consisting of a copper winding.
  • the magnetic circuit consists of layered dynamo sheets at lower and medium frequencies, at higher frequencies e.g. made of ferrite.
  • Such a choke regularly consists of two magnetically conductive legs, each surrounded by a copper winding, which are magnetically coupled to one another by yokes, an air gap being able to be provided between one leg and one yoke, depending on the application.
  • the inductance of such a choke is calculated as follows:
  • a e is the iron cross section
  • l Fe is the length of the iron path
  • N is the number of turns
  • ⁇ Q is the relative permeability
  • ⁇ e is the effective permeability
  • Magnetic induction is the determining factor in the design of inductive components or transformers.
  • An increase in the inductance of induction B always means a higher power density.
  • the iron losses P v Fe within the magnetic circuit are quadratic dependent on the induction B at a low frequency. This is shown in Figure 2. If the dynamo sheet is even greater, the iron losses increase very much, which is why this area should generally be avoided.
  • chokes With conventional designs of chokes, however, there is no possibility of dissipating high power losses, since the iron legs are isolated from the surroundings by the coil formers, or copper winding. There is practically no possibility of heat radiation (winding over core) or heat dissipation (air gap). This means that only a small power loss can be dissipated from the magnetic circuit.
  • the invention it is proposed that individual laminated cores are shifted against one another in the induction arrangement. This drastically increases the surface on both sides of the iron core. This increase in the cooling surface is easily attainable by a factor of five to fifteen. The displacement of the leg plates creates very effective cooling channels between the core and the surrounding winding.
  • the surface can be adjusted to a desired dimension by moving the sheets without the winding of the adjacent magnetic circuits coming closer.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a magnetic choke
  • FIG. 2 shows the dependence of iron losses on induction
  • FIG. 1 top view of an induction arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows the basic structure of an induction arrangement using the example of a choke 1.
  • this consists of a magnetic circuit 8, two electrical circuits 2 and, depending on the application, the magnetic circuit also has an air gap 3.
  • the magnetic circuit in turn consists of four elements, namely two yokes 5 and two legs 4.
  • the electrical circuits 2 regularly consist of a copper winding or another metal winding.
  • the legs and yokes can consist of layered dynamo sheets 7 at lower and medium frequencies, and at higher frequencies preferably also from ferrite or iron powder.
  • the iron losses P v p e within the magnetic circuit that is to say the iron losses of the dynamo sheets, are quadratic dependent on the induction B at a low frequency.
  • the magnetic circuits are not only formed from dynamo sheets, but these dynamo sheets also form a compact rectangular or square core.
  • This core is in turn surrounded by the close-fitting electrical circuit, that is to say the copper winding, so that the magnetic core or the leg surrounded by the magnetic circuit are insulated from the environment and are therefore not able to dissipate the heat generated to a sufficient extent.
  • the close-fitting electrical circuit that is to say the copper winding
  • FIG. 3 shows an induction arrangement according to the invention using the example of a choke.
  • the legs 4 surrounded by the copper winding 2 consist of a plurality of metal sheets 7 which are displaced relative to one another.
  • the leg plates 7 are offset by 90 ° to the longitudinal direction of a yoke 5, so that the original distance between adjacent legs is maintained by the displacement of the legs against each other.
  • the laminated cores 7, which can be about 2 - 10 mm thick the surface of the legs 4 is increased drastically on the sides. It is easy to increase the surface area and thus the cooling surface by a factor of five to fifteen.
  • induction B can be increased without the leg temperatures reaching critical areas.
  • the legs can also be made smaller, so that their weight is reduced.
  • a reduction in the legs also means a reduction in the length of the copper coils and thus a significantly lower copper consumption.
  • Figure 4 shows the comparison of the required amount of iron (weight) of the iron core of a choke.
  • the iron volume required is Fe Vo
  • the X axis shows the relative magnetic induction B, where B st is the induction B with a conventional design (standard) and B N is the induction with a new type of cooling.
  • B st is the induction B with a conventional design (standard)
  • B N is the induction with a new type of cooling.
  • the dashed part B1 of the curve applies to a conventional design, the solid part B2 to a new type of cooling.
  • the measures according to the invention can apply a much higher induction to the chokes, with iron losses per kilogram of iron remaining significantly lower than with conventional chokes.
  • the range of critical iron losses in the choke according to the invention is thus achieved with a significantly higher induction B, the choke according to the invention having a considerably smaller size than conventional chokes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Induktivitätsanordnung, bzw. die Konstruktion von Induktivitäten, Drosseln, Transformatoren mit sehr hoher Leistungsdichte. Drosseln sind übliche Ausführungsbeispiele von Induktivitätsanordnungen. Eine solche Drossel besteht aus einem Magnet 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. 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. 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.

Description

Induktivitätsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Induktivitätsanordnung bzw. die Konstruktion von Induktivitäten, Drosseln, Transformatoren mit sehr hoher Leistungsdichte.
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.
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. Die Induktivität einer solchen Drossel berechnet sich hierbei wie folgt:
(Gleichung 1 )
L = Fe ΛΓ2 i μ0μe^
• FE
wobei: A e den Eisenquerschnitt, lFe die Länge des Eisenweges, N die Anzahl der Windungen, μQ die relative Permeabilität, μe die effektive Permeabilität darstellen.
Die magnetische Induktion berechnet sich demzufolge nach folgender Formel:
(Gleichung 2)
B = N_- I μ0μe 1 -F. e
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.
Die Eisenverluste Pv 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, alsoder 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.
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. 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.
Eine Erhöhung der Induktion B um etwa 10% läßt auch eine um 10% höhere Windungszahl zu. Damit steigt jedoch die Induktivität um ca. 1 21 % an, da - siehe Formel 1 - diese proportional zum Quadrat der Windungszahl zunimmt.
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.
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
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.
Die elektrischen Kreise 2 bestehen regelmäßig aus einer Kupferwicklung oder einer anderen Metallwicklung. 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.
Wie in Figur 2 zu sehen, sind bei konventionellen Induktivitäten die Eisenverluste Pv pe innerhalb des magnetischen Kreises, also die Eisenverluste der Dynamobleche, in einem größeren Bereich bei niedriger Frequenz quadratisch von der Induktion B abhängig.
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.
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.
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 - 1 0 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. 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).
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 1 21 % gleichkommt.
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.
Somit wird der Wirkungsgrad der Induktivitätsanordnung erheblich verbessert.
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.
Figur 4 zeigt den Vergleich der benötigten Menge Eisen (Gewicht) des Eisenkerns einer Drossel. Auf der Y-Achse ist der benötigte Eisenvolumen FeVo| (Gewicht) aufgetragen. Die X-Achse zeigt die relative magnetische Induktion B, wobei Bst die Induktion B bei herkömmlicher Auslegung (Standard) und BN die Induktion bei neuartiger Kühlung ist. Der gestrichelte Teil B1 der Kurve gilt bei herkömmlicher Auslegung, der durchgezogene Teil B2 bei neuartiger Kühlung.
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.
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.
ERSATZBLAπ (REGEL 26)

Claims

A n s p r ü c h e
1 . Induktionsanordnung ( 1 ) bestehend aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei der magnetische Kreis (8) wenigstens einen Schenkel (4) aufweist, der durch geschichtete Bleche (7) gebildet wird und der elektrische Kreis (2) wenigstens eine Metallwicklung, vorzugsweise eine Kupferwicklung, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bleche (7) bzw. mehrere Blechpakete des Schenkels (4) zur Vergrößerung der Oberfläche zwischen dem magnetischen und dem elektrischen Kreis verschoben sind.
2. Induktionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Schenkel (4) und dem elektrischen Kreis (2) ein oder mehrere Kühlkanäle (6) ausgebildet sind.
3. Induktionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung wenigstens zwei Schenkel (4) aufweist, welche beidseitig durch Joche (5) verbunden sind.
4. Induktionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (7) eines Schenkels um 90° versetzt zur Längsrichtung eines Jochs (5) ausgerichtet sind.
5. Transformator oder Drossel mit einer Induktionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei elektrische Kreise ausgebildet sind, die durch den magnetischen Kreis miteinander gekoppelt sind.
GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro am 05 Juli 2000 (05.07.00) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1-15 durch neue Ansprüche 1-3 ersetzt; (1 Seite)]
1 . Induktionsanordnung (1 ) bestehend aus einem magnetischen und einem elektrischen Kreis, wobei der magnetische Kreis (8) wenigstens zwei Schenkel (4) aufweist, der durch geschichtete Bleche (7) gebildet wird und der elektrische Kreis (2) wenigstens eine Metallwicklung, vorzugsweise eine Kupferwicklung, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bleche (7) bzw. mehrere Blechpakete des Schenkels (4) im Bereich des elektrischen Kreises gegeneinander derart verschoben sind, daß die Oberfläche des magnetischen Kreises vergrößert ist, daß die Schenkel (4) durch wenigstens ein Joch verbunden sind und daß die geschichteten Bleche (7) wenigstens eines Schenkels um 90° versetzt zur Längsrichtung des Jochs ausgerichtet sind.
2. Induktionsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem 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 ausgebildet sind, die durch den magnetischen Kreis miteinander gekoppelt sind.
PCT/EP2000/001582 1999-05-03 2000-02-25 Induktivitätsanordnung Ceased WO2000067265A1 (de)

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