DE3703561C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine induktives Bauelement mit mindestens einer Spule, deren Windungen auf einen Kern mit einem Luftspalt gewickelt sind und deren Kern benachbart zum Luftspalt eine Bandwicklung aus einem weichmagnetischen Material aufweist (deutsche Patentanmeldung A 5 848 vom 27. 11. 52).

Unter induktiven Bauelementen werden hier Transformatoren mit mehreren Spulen oder Sieb- und Speicherdrosseln mit mindestens einer Spule verstanden. Insbesondere geht es hier vorwiegend um solche induktiven Bauelemente, bei denen die Induktivität einer Spule beabsichtigt von der Stärke des sie durchfließenden Stromes abhängt.

Transformatoren oder Siebdrosseln mit derartigen Spulen werden z.B. bei getakteten Stromversorgungen benötigt, um den sogenannten "lückenden Betrieb" zu vermeiden. Dabei soll für kleine Spulenströme, also für kleines Magnetfeld im Kern der Spule, die Induktivität größer sein als für größere Spulenströme.

Durch die DE-OS 30 20 400 ist ein Transformator bekannt, bei dem mindestens zwei Wicklungen auf einen Schenkel gewickelt sind und bei dem Abschirmfolien zwischen den beiden Wicklungen oder zwischen einer Wicklung und dem Kern angebracht sind. Die Abschirmfolien bestehen aus weichmagnetischem Material, d.h. aus Material mit fast keiner Hysterese, und dienen der kapazitiven Abschirmung von Primär- und Sekundärwicklung des Übertragers gegen­ über seiner Umgebung. Die Folien sind über Anschlüsse geerdet.

Eine weichmagnetische Folie ist deshalb für die Abschir­ mung elektromagnetischer Wechselfelder geeignet, weil die Felder wegen der großen magnetischen Suszeptibilität der Folien nur geringfügig in sie eindringen können. Für die vollständige Abschirmung sind z.B. Folien mit einer Dicke von 50 µm bei Wechselfeldern von etwa 300 MHz aus­ reichend.

Es ist unmittelbar einsichtig, daß die Schirmwirkung einer Folie ganz wesentlich reduziert wird, sobald sie in die magnetische Sättigung gerät, weil dann die elektro­ magnetische Eindringtiefe bei manchen Materialien um Zehnerpotenzen wachsen kann. Daher ist bei Folien, die der Abschirmung elektromagnetischer Felder dienen, unbe­ dingt darauf zu achten, daß sie unter normalen Betriebs­ bedingungen nicht in die Sättigung geraten.

Durch die europäische Patentanmeldung EP 00 12 629 ist es bekannt, nichtlineares Verhalten von induktiven Bauele­ menten - also Abhängigkeit der Induktivität einer ihrer Spulen vom Spulenstrom - dadurch zu erreichen, daß der Luftspalt eines Kernes durch ein Stück weichmagnetisches Material überbrückt wird. Wird die Induktivität in Ab­ hängigkeit vom Spulenstrom in einem Diagramm aufgetragen, so ergibt sich bei kleinen Spulenströmen eine große In­ duktivität, die in einem Übergangsbereich des Spulen­ stromes zu kleinen Werten hin abfällt. Aus der genannten Druckschrift ist nicht zu entnehmen, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, um den Bereich des Abfalls der Indukti­ vität gezielt zu kleineren oder größeren Werten des Spulenstromes hin zu verschieben.

Durch die deutsche Patentanmeldung A 5 848 sind induktive Bauelemente bekannt, die zwei Kerne aus magnetisch unterschiedlichem Material enthalten. Speziell handelt es sich um Ringspulen, bestehend aus einem äußeren Eisenring mit Luftspalt und einem inneren Ringbandkern ohne Luftspalt. Bei großer Erregung der Spule geht der Ringbandkern in die magnetische Sättigung. Die Spule verhält sich so, als bestünde sie nur aus dem Eisenkern mit Luftspalt. Für kleine Erregungen wird das Verhalten der Spule überwiegend durch das Material des Ringbandkernes bestimmt. Auch aus dieser Druckschrift ist nicht zu entnehmen, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, um die Änderung des Verhaltens der Spule zu größeren oder kleineren Erregungen hin zu verschieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem auf einfache Weise der Bereich des Spulenstromes, in dem die Induktivität der Spule abfällt, definiert verschieb­ bar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Folie aus dem weichmagnetischen Material um den Kern und den Luftspalt gewickelt ist, deren Dicke, deren Anzahl von Lagen und deren Material so beschaffen sind, daß sie unter Betriebsbedingungen in die magnetische Sättigung gerät.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Experimentell wurde nachgewiesen, daß sich z.B. bei zwei Folienlagen der Wert des Spulenstromes, bei dem die Induktivität auf kleinere Werte abfällt, gegenüber dem Wert bei einer Lage ungefähr verdoppelt. Entsprechendes gilt für mehr als zwei Folienlagen. Dieser Zusammenhang ermöglicht die in der Aufgabenstellung erwähnte Verschiebung.

Anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer Drosselspule mit erfindungsgemäßen Merkmalen und Fig. 2 zeigt ein Spulenstrom-Zeit-Diagramm.

Der in Fig. 1 gezeigte Teil einer Drosselspule enthält die nicht angedeutete Längsachse des Kernes 1 mit Luft­ spalt 2. Um den Kern 1 und den Luftspalt 2 sind drei Lagen a, b, c einer weichmagnetischen Folie 3 gewickelt. Um die Folie sind die Windungen 4 der Spule gewickelt; angedeutet sind zwei Lagen von Windungen. Der Übersicht halber sind elektrisch isolierende Schichten zwischen den Lagen der Folien sowie der Folie und den Wicklungen nicht eingetragen.

Werden die Anschlüsse einer Drossel (ohne Folie) an eine Spannungsquelle mit kleinem Innenwiderstand angeschlos­ sen, so steigt der Spulenstrom bekanntlich so lange linear an, bis der ohmsche Widerstand der Windungen zu einer erkennbaren Strombegrenzung führt. Fig. 2 zeigt das typische Verhalten des Spulenstromes I als Funktion der Zeit t für eine Drossel mit ein, zwei, und drei Lagen weichmagnetischer Folie. Für kleine Werte des Spulenstro­ mes I steigt er in allen drei Fällen mit der gleichen Steigung an, weil die magnetische Folie - unabhängig von der Zahl der Lagen - für diese Werte des Stromes I die Wirkung des Luftspaltes 2 nahezu aufhebt. Hat der Spulen­ strom I eine erste Schwelle überschritten, so gerät - bei einer Lage - die Folie in die magnetische Sättigung. Das führt zu einer augenblicklichen Verringerung der Indukti­ vität der Drossel und folglich zu einem stärkeren Anstieg des Stromes I, wie die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt.

Bei zwei Lagen muß der Spulenstrom I erst eine zweite Schwelle (punktierte Linie) überschritten haben, bevor der steilere Stromanstieg erfolgt. Entsprechendes gilt für drei Lagen (gestrichelte Linie).

Alle drei Schwellen sind ungefähr ganze Vielfache der kleinsten Schwelle. Dieser Zusammenhang kann dazu ausge­ nutzt werden, den Knickpunkt in Fig. 2 - also die Ände­ rung der Induktivität - durch Bemessung der Dicke der Fo­ lie oder der Anzahl der Folienlagen oder beides an einen vorherbestimmten Wert des Drosselstromes I zu legen.

Magnetische Folien, die sich z.B. für die Drosseln von Durchflußwandlern eignen, sind im Handel erhältlich; ihre Dicke be­ trägt etwa 0,03 mm, und ihre Breite kann zwischen 1 und 50 mm liegen.

Zur elektrischen Isolierung der Folienlagen gegeneinander und gegen die Windungen der Drossel eignet sich 0,036 mm dicke Kunststoffolie, die ebenfalls im Handel erhältlich ist. Die Isolierung reduziert die Verluste in der Drossel.

Claims (3)

1. Induktives Bauelement mit mindestens einer Spule, deren Windungen (4) auf einen Kern (1) mit einem Luftspalt (2) gewickelt sind und deren Kern (1) benachbart zum Luftspalt (2) eine Bandwicklung aus einem weichmagnetischen Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie (3) aus dem weichmagnetischen Material um den Kern (1) und den Luftspalt (2) gewickelt ist, deren Dicke, deren Anzahl von Lagen und deren Material derart beschaffen sind, daß sie unter Betriebsbedingungen in die magnetische Sättigung gerät.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetische Folie (3) in einer ganzzahligen Anzahl von Lagen um den Kern (1) gewickelt ist.

3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der magnetischen Folie (3) durch elektrisch isolierende Schichten voneinander und von den Windungen (4) der Spule getrennt sind.