Stromkompensierte Drossel und Verfahren zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel

Aus der Druckschrift DE 102004008961 B4 ist eine

stromkompensierte Drossel bekannt.

Aufgabe ist es, eine stromkompensierte Drossel anzugeben, die eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird durch eine stromkompensierte Drossel nach Patentanspruch 1 gelöst. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel nach Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der stromkompensierten Drossel und des Verfahrens zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel sind Gegenstand von

Unteransprüchen . Es wird eine stromkompensierte Drossel angegeben, die einen einstückigen, ringförmig geschlossenen Ferritkern aufweist. Der Ferritkern weist wenigstens zwei Drahtwickel auf, die jeweils einen hochkant gewickelten Flachdraht umfassen. Die Drahtwickel sind spulenkörperfrei und voneinander beabstandet auf dem Ferritkern angeordnet.

Unter einem einstückigen ringförmig geschlossenen Ferritkern wird ein „einlagiger" Ferritkern mit homogenem Aufbau und ohne Luftspalt verstanden. Ringförmig geschlossen bedeutet dabei eine beliebige Fläche einschließend.

Eine stromkompensierte Drossel mit einem einstückigen

Ferritkern weist im Vergleich zu einer stromkompensierten Drossel mit einem mehrteiligen Ferritkern mit Luftspalt bei etwa gleicher Windungszahl der Wickel eine vergleichsweise höhere Induktivität auf.

Im Vergleich zu einer stromkompensierten Drossel mit einem Ferritkern, der aus einem einzigen Stück besteht, weist eine stromkompensierte Drossel mit einem Ferritkern aus verklebten Ferritkernhälften nur zirka 20 bis 50 % der Induktivität auf.

Die Drahtwickel der stromkompensierten Drossel weisen jeweils einen Flachdraht auf, der hochkant zu einem Wickel geformt ist. Verglichen mit einem Runddraht, dessen Durchmesser der Breite des Flachdrahts entspricht, hat der Flachdraht einen höheren Querschnitt als der Runddraht. Bei gleichem

Querschnitt von Flachdraht und Runddraht lassen sich mit dem Flachdraht pro Wicklungslage mehr Windungen aufbringen als mit einem Runddraht. Im Vergleich zu Wickeln aus Runddraht weisen Wickel aus Flachdraht mit vergleichbarer Windungszahl aufgrund des hohen Füllgrades einen geringeren

Gleichspannungs-Widerstand auf, wodurch die stromkompensierte Drossel sich bei gleicher Strombelastung weniger stark erwärmt. Die einzelnen Windungen des Drahtwickels sind hierbei derart aufgebaut, dass die langen Seiten des

Flachdrahts zueinander weisen. Durch einen derartigen Aufbau des hochkant gewickelten Drahtwickels weist dieser mit nur wenigen Windungen eine große wirksame Fläche auf.

Durch die große wirksame Fläche der Flachdrahtwickel bauen sich in den Drahtwickeln bei hohen Frequenzen Wirbelströme auf. Die Wirbelströme bewirken eine gewünschte Erhöhung des Serienwiderstands der Drahtwickel (Proximityeffekt) bei hohen Frequenzen .

Auch der Skineffekt ist bei Flachdrahtwickeln signifikant stärker ausgeprägt als beispielsweise bei Drahtwickeln aus Litzendrähten, was ebenfalls in für die Drossel erwünschter Weise zu Hochfrequenzverlusten führt.

In einer Ausführungsform sind die Drahtwickel derart auf dem Ferritkern angeordnet, dass sie einen größtmöglichen

räumlichen Abstand zueinander aufweisen.

Vorzugsweise sind sie auf zueinander parallelen Abschnitten des Ferritkerns angeordnet.

In einer Ausführungsform weist der Ferritkern daher eine rechteckige Form auf. Die Drahtwickel sind in einer

Ausführungsform an den kürzeren Schenkeln des Ferritkerns angeordnet. Werden die Wicklungen jeweils auf den kürzeren Schenkeln angeordnet, so wird dadurch ein räumlich größerer Abstand zwischen den Drahtwickeln erreicht als bei Anordnung an den längeren Schenkeln des rechteckigen Ferritkerns.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Ferritkern eine toroidale Form auf. Der Ferritkern ist bevorzugt als

Ringtorus ausgebildet, wobei die Öffnung des Torus eine

Grundfläche aufweist, die entweder einem Kreis oder einer Ellipse entspricht. Bei einem Ringtorus mit einer ellipsoiden Grundfläche der Öffnung sind die Drahtwickel vorzugsweise in den Abschnitten des Torus angeordnet, die einen räumlich größtmöglichen Abstand zueinander aufweisen.

Bei einer Ausführungsform der stromkompensierten Drossel mit einem rechteckigen oder toroidalen Ferritkern kann somit ein räumlich großer Abstand der zwei Drahtwickel erreicht werden. Dieser bewirkt, dass trotz eines einteiligen Ferritkerns etwa 2 % der Hauptinduktivität als Streuinduktivität auftreten. Die Streuinduktivität wirkt effektiv wie eine zusätzliche Drosselspule und dämpft Gegentaktstörungen . Rechteckig geformte Ferritkerne sind hierbei besonders wirkungsvoll.

In einer Ausführungsform weisen die Drahtwickel jeweils nur eine Lage auf. Möglich ist jedoch auch, mehrere Lagen

übereinander vorzusehen und diese bevorzugt elektrisch parallel zu verschalten.

Eine ideale stromkompensierte Drossel weist vorzugsweise eine hohe Resonanzfrequenz der Drahtwickel auf. Zur Erhöhung der Resonanzfrequenz ist es von Vorteil, wenn die parasitären Kapazitäten verringert werden. Durch den einlagigen Aufbau der Drahtwickel der zuvor beschriebenen stromkompensierten Drossel weisen die Drahtwickel die praktisch kleinstmögliche parasitäre Kapazität auf, denn es handelt sich um eine

Reihenschaltung von parasitären Kapazitäten, die hier von je einer Windung mit der benachbarten Windung gebildet werden.

Zur Verringerung der parasitären Kapazität eines

herkömmlichen mehrlagigen Drahtwickels ist es von Vorteil, wenn der Drahtwickel in einzelne Kammern unterteilt ist. Bei herkömmlichen stromkompensierten Drosseln wird die

Unterteilung in Kammern durch entsprechende Trennwände zwischen den Wicklungen am Spulenkörper erreicht. Dies reduziert jedoch den für die Wicklungen selbst zur Verfügung stehenden Raum. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmender Anzahl an Kammern.

Die zuvor beschriebene stromkompensierte Drossel mit

Flachdrahtwickeln weist vorzugsweise einen spulenkörperfreien Aufbau der Drahtwickel auf. Jede Windung des Drahtwickels entspricht hierbei einer Kammer. Die Drahtwickel sind somit nicht auf eine durch einen Spulenkörper vorgegebene Anzahl von physikalischen Kammern beschränkt. Durch den Aufbau der stromkompensierten Drossel mit einem einstückigen Ferritkern und der Verwendung von einlagigen Flachdrahtwickeln wird eine Reduzierung des DC-Widerstands und der parasitären Kapazität der Drossel erreicht. Die gewünschten Hochfrequenzverluste können durch diesen Aufbau der Drossel hingegen maximiert werden.

In einer Ausführungsform sind die Drahtwickel derart

angeordnet, dass sie - bei symmetrischer elektrischer

Anbindung - einen zueinander gegenläufigen Wickelsinn aufweisen. Die Drahtwickel weisen vorzugsweise die gleiche Anzahl von Windungen auf.

In einer Ausführungsform weist der Ferritkern eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.

Die Beschichtung umfasst beispielsweise Epoxid oder Parylen. Bei einer Dicke der Beschichtung von kleiner gleich 0,4 mm weist eine solche Beschichtung eine Durchbruchspannung von mehr als 2000 VR^S (RMS= root mean Square, d.h. Effektivwert) auf. Die Beschichtung erfüllt die Brandschutzklasse UL94V-0.

In einer Ausführungsform ist die stromkompensierte Drossel mit einem vorzugsweise unbeschichteten Ferritkern in einem Kunststoff-Gehäuse angeordnet. Die Wicklung ist dann auf diesem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse bewirkt vorzugsweise die gleiche elektrische Isolation wie eine isolierende

Beschichtung des Ferritkerns. Das Gehäuse weist in einer Ausführungsform Vorrichtungen zur Fixierung der Drahtenden der stromkompensierten Drossel auf.

Des Weiteren wird eine Schaltungsanordnung mit einer zuvor beschrieben stromkompensierten Drossel angegeben, wobei die stromkompensierte Drossel in Reihe zu einem Brückengleich- richter geschaltet ist. Die stromkompensierte Drossel ist im Netzkreis einer Applikationsschaltung z.B. hinter dem

Brückengleichrichter auf der gleichgerichteten Seite

eingebaut. Sie kann aber auch vor dem Brückengleichrichter eingebaut sein.

Vorzugsweise wird die stromkompensierte Drossel derart beschaltet, dass der magnetische Fluss, der in dem ersten Wickel erzeugt wird, dem magnetischen Fluss, der in dem zweiten Wickel erzeugt wird, entgegengesetzt gerichtet ist und sich beide Flüsse somit kompensieren.

Durch den Einbau hinter einem Brückengleichrichter tritt der Stromfluss durch die beiden Drahtwickel der stromkompen- sierten Drossel nur in einer Richtung auf. Dadurch treten in dem Ferritkern im Bereich der Drahtwickel in die gleiche Richtung Magnetfelder auf.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer stromkompensierten Drossel angegeben, wobei ein Flachdraht spiralförmig zu einem Drahtwickel geformt wird. Der

vorgeformte, spiralförmige Drahtwickel wird auf einen

bereitgestellten ringförmig geschlossenen Ferritkern derart aufgebracht, dass die einzelnen Windungen des Drahtwickels nacheinander, durch relative Drehung zwischen Drahtwickel und Ferritkern, auf den Ferritkern aufgedreht werden.

Zum Erleichtern des Bewicklungsvorgangs können vorzugsweise sämtliche Kanten des Ferritkerns angefast sein, das heißt die Kanten sind abgeschrägt oder abgerundet.

Der Drahtwickel wird vorzugsweise einlagig auf den Ferritkern aufgebracht. Möglich ist auch, zwei Wickel übereinander aufzubringen und elektrisch parallel zu verschalten. Bei geeignetem Durchmesser können die beiden Wicklungen mit dem Verfahren auch übereinander aufgedreht werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein zweiter

vorgeformter Drahtwickel nach dem zuvor beschriebenen

Verfahren auf den Ferritkern aufgebracht, wobei der zweite Drahtwickel vorzugsweise mit entgegen gesetzter

Wicklungsrichtung auf den Ferritkern aufgebracht wird. Der zweite Drahtwickel wird vorzugsweise derart auf dem

Ferritkern aufgebracht, dass der räumliche Abstand zwischen den beiden Drahtwickeln möglichst groß ist.

Durch das zuvor beschriebene Verfahren lassen sich

vorzugsweise Flachdrahtwickel, die in leicht gestrecktem Zustand vorliegen, durch Drehung auf den einstückigen, rechteckigen oder toroidförmigen Ferritkern quasi

aufschrauben. Das zuvor beschriebene Verfahren eignet sich besonders für hochkant gewickelte Flachdrahtwickel.

Durch den Aufbau der stromkompensierten Drossel mit einem einlagigen Flachdrahtwickel wird kein zusätzlicher

Spulenkörper benötigt. Zur Fixierung der Anschlüsse der

Drahtwickel reichen beispielsweise wenige Tropfen eines beispielsweise UV-härtenden Klebstoffes aus. Für Anwendungen, bei denen Trägerplatten von Vorteil sind, können diese auch mit der zuvor beschriebenen stromkompensierten Drossel kombiniert werden. Durch den Aufbau der stromkompensierten Drossel mit

niederohmigen Drahtwickeln aus Flachdraht, die auf einem einteiligen Ferritkern angeordnet sind wird die

Eigenerwärmung der stromkompensierten Drossel begrenzt. Der Nennstrom ist abhängig von dem thermisch möglichen und von dem durch die Sättigung des Ferritkerns bedingten maximalen Strom.

In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine zuvor beschriebene stromkompensierte Drossel beispielsweise eine

Grundfläche von zirka 27 x 26 mm und eine Höhe von 11 mm auf, wobei die Drossel einen rechteckigen Ferritkern mit zwei Drahtwickeln mit einer Induktivität von jeweils 1 mH

aufweist. In dieser Ausführungsform kann die stromkompen- sierte Drossel beispielsweise bis zirka 5 A (Spitzenstrom) ausgesteuert werden. Die Streuinduktivität der stromkompensierten Drossel ist hierbei im Vergleich zu einer Drossel auf Ringkernbasis um zirka 37 % höher. Die oben beschriebenen Gegenstände und Verfahren werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert .

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabgetreu aufzufassen.

Es zeigt

Figur 1 eine erste Ausführungsform der stromkompensierten

Drossel mit einem Ferritkern,

Figur 2 den Verlauf der Sättigung eines Ferritkerns einer stromkompensierten Drossel in Abhängigkeit vom Nennstrom,

Figur 3 die Flussdichteverteilung einer Ausführungsform

einer stromkompensierten Drossel, Figur 4 ein Schaltbild einer Applikationsschaltung mit einer stromkompensierten Drossel,

Figur 5 das Bewickeln eines geschlossenen Ferritkerns mit einem vorgeformten Drahtwickel,

Figur 6 eine weitere Ausführungsform der stromkompensierten

Drossel mit einem Ferritkern in toroidaler Form. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der

stromkompensierten Drossel 1 mit einem rechteckigen

Ferritkern 2. Der Ferritkern 2 weist zwei Drahtwickel 4, 5 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten des Ferritkerns 2 angeordnet sind.

In einer weiteren, später dargestellten Ausführungsform weist der Ferritkern die Form eines Ringtorus auf.

Figur 2 zeigt den Verlauf 10 der relativen Induktivität L/L _Q in Abhängigkeit von der Stromstärke I. Auf der X-Achse des Diagramms ist die Stromstärke I in Ampere aufgetragen. Auf der Y-Achse ist die relative Induktivität in Prozent

angegeben. Die relative Induktivität L/L _Q gibt die

Induktivität bei vorgegebenem Strom im Vergleich zum

Induktivitätswert L _Q ohne Strombelastung an. Die Abnahme wird bei feldstärkeabhängiger Magnetisierung des Kernmaterials im stromkompensierten Betrieb durch den Strom verursacht. Eine erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel weist bei einer Stromstärke von zirka 5,5 A eine relative Induktivität von etwa 90 % auf. Bei 9A weist die stromkompensierte Drossel noch eine relative Induktivität von 60 % auf.

Figur 3 zeigt die Flussdichteverteilung im Ferritkern einer stromkompensierten Drossel bei Bestromung mit Nennstrom. Im Bereich der Drahtwickel 54 und 55 tritt ein Maximum der

Magnetisierung auf.

Figur 4 zeigt schematisch eine stromkompensierte Drossel in einem Schaltbild einer Applikationsschaltung. Die

Applikationsschaltung zeigt eine beschriebene

stromkompensierte Drossel 1, die in Reihe zu einem

Brückengleichrichter 11 geschaltet ist. Der Aufbau der

Schaltung entspricht in etwa einer Netzfilter-Schaltung (Line filter) .

Beim Einbau der stromkompensierten Drossel 1 hinter dem

Brückengleichrichter 11 tritt ein Stromfluss durch die beiden Wicklungen der stromkompensierten Drossel 1 nur noch in einer Richtung auf. Dadurch wird der Ferritkern der

stromkompensierten Drossel 1 immer in die gleiche Richtung magnetisiert .

Figur 5 zeigt das Bewickeln eines geschlossenen, rechteckigen Ferritkerns 62 mit einem Drahtwickel 65. Im dargestellten Schritt ist auf dem Ferritkern 62 bereits ein erster

Drahtwickel 64 aufgebracht. Der zweite Drahtwickel 65 ist in der Figur in etwa zur Hälfte auf dem Ferritkern 62

aufgedreht. Hierbei wird der vorgeformte Drahtwickel 65 im gestreckten Zustand durch Drehung auf den Ferritkern 62 aufgebracht. Die einzelnen Windungen des Drahtwickels 65 werden hierbei durch eine relative Drehung zwischen

Drahtwickel 65 und Ferritkern 62 auf dem Ferritkern 62 „aufgeschraubt". Der Ferritkern 62 weist eine geschlossene Form auf.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der

stromkompensierten Drossel 1 ähnlich zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der stromkompensierten Drossel, wobei der Ferritkern 72 der Drossel 1 in Figur 7 eine toroidale Form aufweist.

Bezugszeichenliste

1 stromkompensierte Drossel

2, 52, 62, 72 Ferritkern

4, 54, 64 Drahtwickel

5, 55, 65 Drahtwickel

10 Sättigungsverlauf einer Drossel

11 Brückengleichrichter

12, 13, 14 Kondensator

15 Widerstand

16 Diode

17 Masse