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Patent Searching and Data


Title:
WINDING ASSEMBLY FOR AT LEAST TWO POWER-ELECTRONICS CONVERTERS THAT CYCLE AT AN OFFSET, AND CONVERTER ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105681
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a winding assembly for at least two power-electronics converters (1) that cycle at an offset. The winding assembly comprises a winding core (100; 200) comprising at least two partial elements (110, 120; 210, 220). The two partial elements (110, 120; 210, 220) are arranged in such a way that the two partial elements are separated from each other by an air gap (131, 132; 231) in the region of end surfaces (114, 124; 115, 125; 217, 227) facing each other. The winding assembly has at least two windings (116, 126; 218, 228), which are wound around the winding core (100; 200) in such a way that a constant component of a magnetic flux produced by the at least two windings (116, 126; 218, 228) during the operation of the power-electronics converter (1) is compensated. The at least two windings (116, 126; 218, 228) are designed as strip windings. A winding window of each of the at least two windings (116, 126; 218, 228) is arranged in a section of the winding core (100; 200) that does not span the air gap (131, 132; 231).

Inventors:
KOMMA, Thomas (Dr. Otto-Bössner-Weg 7A, Ottobrunn, 85521, DE)
POEBL, Monika (Weißenburger Str. 23, München, 81667, DE)
Application Number:
EP2018/080020
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 02, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02M3/158; G05F1/325; H01F3/14; H01F27/28; H01F41/02; H02M1/40
Foreign References:
JP2017195684A2017-10-26
JP2014078577A2014-05-01
US20130033351A12013-02-07
DE112013006277T52015-10-22
US20100067263A12010-03-18
CN103730230A2014-04-16
EP2565883A12013-03-06
US5790005A1998-08-04
US4257087A1981-03-17
US20150282370A12015-10-01
US5168255A1992-12-01
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler (1), umfassend

einen zumindest zwei Teilelemente (110, 120; 210, 220) um fassenden Wicklungskern (100; 200), wobei die zwei Teil elemente (110, 120; 210, 220) im Bereich einander gegen überliegender Endflächen (114, 124; 115, 125; 217, 227) über einen Luftspalt (131, 132; 231) voneinander getrennt angeordnet sind; und

zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228), die um den Wicklungskern (100; 200) derart gewickelt sind, dass sich ein Gleichanteil eines magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers (1) erzeugt ist, kom pensiert ;

wobei

die zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) als Bandwicklungen ausgebildet sind; und

ein jeweiliges Wicklungsfenster der zumindest zwei Wick lungen (116, 126; 218, 228) in einem den Luftspalt (131, 132; 231) nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungs kerns (100; 200) angeordnet ist.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Wicklungs achsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126; 218, 228) pa rallel zueinander verlaufen.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine

Größe der einander gegenüberliegenden Endflächen (114, 124;

115, 125; 217, 227) nur durch die Höhe des sich im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers (1) ergebenden Rip- pelstroms bestimmt ist.

4. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) quer zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts (131, 132) erstrecken.

5. Wicklungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die zumindest zwei Teilelemente (110, 120) die Form eines U mit einem Mit telteil (111, 121) und sich von den gegenüberliegenden Enden des Mittelteils (111, 121) parallel erstreckenden Schenkel teilen (112, 113; 122, 123) aufweisen, wobei das Wicklungs fenster der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) sich im Be reich des Mittelteils (111, 121) erstreckt.

6. Wicklungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die zu mindest zwei Teilelemente (110, 120) derart gegenüberliegen, dass die einander gegenüberliegenden Endflächen (114, 124;

115, 125) von sich zugewandten Schenkeln durch einen Luft spalt (131, 132) voneinander beabstandet sind.

7. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der eine Länge (1) des Luftspalts (131, 132) gleich oder grö ßer als eine vorbestimmte Mindestlänge ist, wodurch ein

Streupfad (F3) , entlang dem sich ein Wechselanteil des magne tischen Flusses erstreckt, parallel zu den Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (116, 126) verläuft.

8. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen (216, 226) parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Luft spalts (231) erstrecken.

9. Wicklungsanordnung nach Anspruch 8, bei der die zumindest zwei Teilelemente (210, 220) die Form eines E mit einem Zent ralteil (211, 221), sich von den gegenüberliegenden Enden des Zentralteils (211, 221)parallel erstreckenden Schenkelteilen (212, 213, 222, 223) und einem sich parallel zu den Schenkel teilen (212, 213, 222, 223) erstreckenden Mittelteils (214, 224) aufweisen, wobei das jeweilige Mittelteil (214, 224) kürzer als die zwei Schenkelteile (212, 213, 222, 223) des gleichen Teilelements (210, 220) ist.

10. Wicklungsanordnung nach Anspruch 9, bei der die zumindest zwei Teilelemente (210, 220) derart gegenüberliegen, dass Endflächen einander gegenüberliegender Schenkelteile der zu mindest zwei Teilelemente (210, 220) jeweils unter Ausbildung eines kleinen Luftspalts (li, 12) gegenüberliegen.

11. Wicklungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der der Luftspalt (231) im Bereich der zwei einander gegenüberliegen den Mittelteile (214, 224) gebildet ist.

12. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der ein jeweiliges Wicklungsfenster im Bereich der einander gegenüberliegender Schenkelteile gebildet ist. 13. Wandleranordnung mit zumindest zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern (1) und einer Wicklungsan ordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

Description:
Beschreibung

Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leis tungselektronische Wandler und Wandleranordnung

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler. Die Wicklungsanordnung umfasst einen zumindest zwei Teilelemente umfassenden Wicklungskern, wobei die zwei Teilelemente im Be reich einander gegenüberliegender Endflächen über einen Luft spalt voneinander getrennt angeordnet sind. Zumindest zwei Wicklungen sind um den Wicklungskern derart gewickelt, dass sich ein Gleichanteil eines magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen im Betrieb des leistungselekt ronischen Wandlers erzeugt ist, kompensiert. Die Erfindung betrifft ferner eine Wandleranordnung mit zumindest zwei ver setzt taktenden leistungselektronischen Wandlern und einer Wicklungsanordnung .

Leistungselektronische Schaltungen, wie z.B. Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteiler, lassen sich auf mehrere identisch auf gebaute leistungselektronische Wandler aufteilen und parallel betreiben. Die Ansteuerung der leistungselektronischen Wand ler erfolgt dann im sog. „Interleaved-Mode", in dem die akti ven Schaltelemente mit dem gleichen Tastverhältnis, jedoch um die Anzahl der parallel vorgesehenen leistungselektronischen Wandler, versetzt getaktet werden. Bei zwei parallel angeord neten leistungselektronischen Wandlern (auch als Stufen be zeichnet) werden deren Schaltelemente mit einem Versatz von 50 % betrieben. Bei drei Stufen beträgt der Versatz 33 %.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen aus zwei identischen Stufen bestehenden Hoch-Tiefsetzsteiler (englisch: Buck-Boost- Converter) . Die in Fig. 1 gezeigte Wandleranordnung 1 umfasst einen, mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten ersten leis tungselektronischen Wandler und einen mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichneten zweiten leistungselektronischen Wandler. Der erste leistungselektronische Wandler 10 umfasst eine Wicklung 11 mit einer Induktivität LI, ein erstes Schaltele ment 12 sowie ein zweites Schaltelement 13. Analog hierzu um fasst der zweite leistungselektronische Wandler 20 eine Wick lung 21 mit einer Induktivität L2, ein erstes Schaltelement 22 sowie ein seriell dazu verschaltetes zweites Schaltelement 23. Die Wicklungen 11, 21 weisen insbesondere gleiche Induk tivitäten LI, L2 auf.

Die Serienschaltung aus erstem und zweitem Schaltelement 12, 13 bzw. 22, 23, sowohl des ersten als auch des zweiten leis tungselektronischen Wandlers 10, 20, ist zwischen einem Aus gangsanschluss 4 und einem Bezugspotentialanschluss 3 ver schaltet. Parallel zu den leistungselektronischen Wandlern 10, 20 und somit zwischen dem Bezugspotentialanschluss 3 und dem Ausgangsanschluss 4 ist ferner ein (Glättungs- ) Kondensa tor angeordnet. Ein Knotenpunkt zwischen dem ersten Schalt element 12 und dem zweiten Schaltelement 13 des ersten leis tungselektronischen Wandlers 10 ist über die Wicklung 11 mit einem Versorgungspotentialanschluss 2 verbunden. Analog hier zu ist ein Knotenpunkt zwischen dem ersten Schaltelement 22 und dem zweiten Schaltelement 23 des zweiten leistungselekt ronischen Wandlers 20 über die Wicklung 21 mit dem Versor gungspotentialanschluss 2 verbunden. Ein Kondensator 5 ist zwischen dem Versorgungspotentialanschluss 2 und dem Be zugspotentialanschluss 3 verschaltet.

Während zwischen dem Versorgungspotentialanschluss 2 und dem Bezugspotentialanschluss 3 eine Eingangsspannung Vin anliegt, kann zwischen dem Ausgangsanschluss 4 und dem Bezugspotenti alanschluss 3 eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen werden.

Im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers 1 wird bei der Realisierung als Buck-Boost-Konverter lediglich die schaltende Funktion der zweiten Schaltelemente 13 und 23 (in Fig. 1 daher auch als S1 und S2 gekennzeichnet) genutzt, wäh rend die ersten Schaltelemente 12, 22 dauerhaft sperrend ge schaltet sind, so dass lediglich deren Diodeneigenschaften im sperrenden Betrieb genutzt werden (was in Fig. 1 durch Dl und D2 gekennzeichnet ist) .

Die Induktivitäten LI und L2 werden üblicherweise durch sepa rate Wicklungsanordnungen gebildet, bei denen jeweils die Wicklung 11 bzw. 21 auf einen individuellen Wicklungskern aufgebracht sind. Grundsätzlich ist es möglich, die Indukti vitäten LI und L2 durch eine einzige, durch einen gemeinsamen Wicklungskern verkoppelte, Induktivität zu ersetzen. Vorteil dieser Konfiguration ist ein geringeres Bauvolumen der Wick lungsanordnung, da der Gleichanteil des magnetischen Flusses in dem Wicklungskern kompensiert und dadurch der magnetische Kernquerschnitt deutlich reduziert werden kann.

Dieses Vorgehen ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Ge zeigt ist eine Wicklungsanordnung mit einem Wicklungskern 100, der ein erstes, U-förmiges Teilelement 110 und ein ent sprechend ausgebildetes, zweites U-förmiges Teilelement 120 umfasst. Das erste und das zweite Teilelement 110, 120 umfas sen jeweils ein Mittelteil 111, 121, von deren gegenüberlie genden Enden sich parallel erstreckende Schenkelteile 112,

113 und 122, 123 erstrecken. Einander gegenüberliegende End flächen 114, 124 des Schenkelteils 112, 122 und einander ge genüberliegende Endflächen 115, 125 der Schenkelteile 113,

123 sind durch einen Luftspalt 131 bzw. 132 voneinander beab- standet .

Entlang der in einer Achse angeordneten Schenkelteile 112 und 122 des ersten und des zweiten Teilelements 110 und 120 ist die Wicklung 11 zur Ausbildung der ersten Induktivität LI vorgesehen. In entsprechender Weise erstreckt sich die Wick lung 12 zur Ausbildung der zweiten Induktivität L2 über die axial hintereinander angeordneten Schenkelteile 113 und 123 des ersten des zweiten Teilelements 110 und 120. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, überbrücken die Wicklungen 11 und 12 dabei den jeweils zwischen den einander gegenüberliegenden Schenkelteilen gebildeten Luftspalt 131 und 132. Zusätzlich zu der Wicklungsanordnung sind die in Fig. 1 dar gestellten und beschriebenen Elemente Sl, Dl und S2, D2 und deren Verschaltung in Bezug auf den Ausgangsanschluss 4 und den Bezugspotentialanschluss 3 dargestellt.

Fig. 2 zeigt somit eine Anordnung, bei der bei zwei parallel geschalteten Stufen einer Wandleranordnung deren Wicklungen auf den luftspaltseitigen Schenkelteilen des Wicklungskerns 100 aufgetragen sind. Hierdurch ergibt sich der eingangs be schriebene und gewünschte Effekt, dass durch diese Anordnung der Gleichanteil des magnetischen Flusses in dem Wicklungs kern kompensiert werden kann. Dies ist durch die im ersten Teilelement 110 eingezeichneten magnetischen Flüsse fi und F 2 illustriert, welche infolge der durch die Wicklungen 11, 12 fließenden Ströme il und i2 in entgegengesetzte Richtungen verlaufen .

Die notwendige Induktivität zur Realisierung der Funktion der leistungselektronischen Schaltung (hier: Buck-Boost-Konver- ter) stellt sich durch den Kompensationseffekt der magneti schen Flüsse fi und F 2 lediglich durch eine Streuinduktivität f 3 ein, die aus einem Undefinierten Streufluss resultiert, der entlang des in Fig. 3 mit den von oben nach unten verlau fenden Pfeilen Streupfad verläuft. Der Übersichtlichkeit hal ber sind in Fig. 3 die Elemente Sl, Dl und S2, D2 und deren Verschaltung in Bezug auf den Ausgangsanschluss 4 und den Be zugspotentialanschluss 3 nicht dargestellt.

Eine sich durch die Streuinduktivität f 3 über die Luftspalte 131 und 132 ergebende Feldaufbauchung (nicht dargestellt) trägt in unerwünschter Weise zu einem erheblichen Teil zu Wicklungsverlusten bei, weswegen eine verhältnismäßig teure HF-Litzenwicklung zur Realisierung der Wicklungen 11, 12 ver wendet werden muss. Bei höheren Leistungen bzw. Strömen durch die leistungselektronischen Schaltungen kann dies jedoch auf grund eines nicht ausreichend groß realisierbaren Wickelfens ters WF zu Einschränkungen führen. Das Wickelfenster WF ergibt sich aus der Breite eines jeweiligen Wickelkörpers der Wicklungen 11 bzw. 12, der sich in axialer Richtung der

Schenkelteile erstreckt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wicklungsanordnung für zu mindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler sowie eine Wandleranordnung mit zumindest zwei versetzt takt enden leistungselektronischen Wandlern und einer Wicklungsan ordnung anzugeben, welche eine Reduzierung der Wicklungsver luste und eine Erhöhung des durch die Wicklung führbaren Stromes ermöglichen.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Wicklungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Wandler anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 13. Vor teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Pa tentansprüchen .

Es wird eine Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler vorgeschlagen, die einen zumindest zwei Teilelemente umfassenden Wicklungskern und zumindest zwei Wicklungen umfasst. Die zwei Teilelemente des Wicklungskerns sind im Bereich einander gegenüberliegen der Endflächen über einen Luftspalt voneinander getrennt an geordnet. Die zumindest zwei Wicklungen sind um den Wick lungskern derart gewickelt, dass sich ein Gleichanteil des magnetischen Flusses, der durch die zumindest zwei Wicklungen im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers erzeugt ist, kompensiert. Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei Wicklun gen als Bandwicklungen ausgebildet. Ein jeweiliges Wicklungs fenster der zumindest zwei Wicklungen ist in einem den Luft spalt nicht überspannenden Abschnitt des Wicklungskerns ange ordnet .

Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung für zumindest zwei versetzt taktende leistungselektronische Wandler wird dadurch realisiert, dass die üblicherweise nicht verwendeten Ab schnitte des Wicklungskernes mit jeweils einer Wicklung ver sehen werden. Gegenüber der eingangs aus dem Stand der Tech- nik beschriebenen Anordnung (Fig. 2 und 3) erfolgt somit eine Drehung der Wicklungen um 90°. Die neuartige Anordnung der Wicklungen in einem den Luftspalt nicht überspannenden Ab schnitt des Wicklungskernes vermeidet die negativen Auswir kungen der Feldaufbauchung in Luftspaltnähe, wodurch Auswir kungen auf Wicklungsverluste vermieden werden können. Dadurch wird es möglich, anstatt einer Litzenwicklung eine Bandwick lung für Hochstromanwendungen zu verwenden.

Durch die Reduzierung der Wicklungsverluste lässt sich die Wicklungsanordnung mit größeren Strömen betreiben. Darüber hinaus kann die Wicklungsanordnung kostengünstiger realisiert werden, da eine Bandwicklung gegenüber einer HF- Litzenwicklung deutlich günstiger ist. Durch die Verwendung einer Bandwicklung lassen sich wiederum die durch den hohen Gleichanteil des Wicklungsstromes resultierenden Verluste wirkungsvoll reduzieren. Durch die Reduzierung des Gleichan teils des magnetischen Flusses aufgrund einer Kompensation im Betrieb des leistungselektronischen Wandlers kann der Quer schnitt des Wicklungskernes reduziert werden, wodurch eine weitere Bauraumreduzierung möglich ist.

Die zum Betrieb der Wandleranordnung erforderliche Induktivi tät wird durch das eingangs beschriebene, an sich unerwünsch te Streufeld bewirkt. Bei der vorgeschlagenen Konfiguration wird das an sich unerwünschte Streufeld gezielt erhöht, mit dem Effekt, dass die Verluste, die in die Bandwicklung indu ziert werden, verringert werden.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung verlaufen die Wicklungs achsen der zumindest zwei Wicklungen parallel zueinander. Bei zwei versetzt taktenden leistungselektronischen Wandlern und einer entsprechenden Anzahl von zwei Wicklungen (d.h. eine Wicklung pro leistungselektronischem Wandler) sind die Wick lungen an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten, welche je weils keinen Luftspalt überspannen, angeordnet. Eine Größe der einander gegenüberliegenden Endflächen ist insbesondere nur durch die Höhe des sich im Betrieb des leis tungselektronischen Wandlers ergebenden Rippelstroms be stimmt. Mit anderen Worten ist lediglich die Differenz aus dem Gleichanteil und dem Wechselanteil des Stromes sich erge bende Stromhöhe für die Dimensionierung der Fläche des Quer schnitts des Wicklungskernes von Bedeutung.

In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wick lungsanordnung erstrecken sich die Wicklungsachsen der zumin dest zwei Wicklungen quer zu einer Erstreckungsrichtung des Luftspalts .

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung weisen zumindest zwei Teilelemente die Form eines U mit einem Mittelteil und sich von den gegenüberliegenden Enden des Mittelteils parallel er streckenden Schenkelteilen auf, wobei das Wicklungsfenster der zumindest zwei Wicklungen sich im Bereich des Mittelteils erstreckt. Ein jeweiliges Teilelement, das die Form eines U aufweist, kann aus einem (d.h. einstückigen) U-förmigen Teil stück, zwei L-förmigen Teilstücken oder drei I-förmigen Teil stücken gebildet sein. Bei mehr als einem Teilstück sind die Teilstücke derart aneinanderzufügen, dass zwischen diesen kein Luftspalt besteht, um den magnetischen Fluss nicht in unerwünschter Weise zu beeinflussen. Durch zwei sich gegen überliegend angeordnete und U-förmige Teilelemente ergeben sich zwei (gleich lange) Luftspalte im Bereich der aneinander gegenüberliegenden Endflächen jeweils zweier zugeordneter Schenkelteile .

Es ist zweckmäßig, wenn die zumindest zwei Teilelemente der art gegenüberliegen, dass die einander gegenüberliegenden Endflächen von sich zugewandten Schenkeln durch einen Luft spalt voneinander beabstandet sind. Im Ergebnis weist der Wicklungskern dadurch die Form eines Rings auf, der jedoch an zwei gegenüberliegenden Seiten von einem jeweiligen Luftspalt durchbrochen ist. Eine Länge des Luftspalts (bzw. der Luftspalte) ist gemäß ei ner weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung gleich oder größer als eine vorbestimmte Mindestlänge, wodurch der Streupfad, entlang dem sich ein Wechselanteil des magnetischen Flusses erstreckt, parallel zu den Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen verläuft. Der Luftspalt wird damit derart gewählt, dass der magnetische Streufluss nicht von einem Teilelement in das andere Teilelement eintritt, sondern stattdessen von einem Schenkelteil eines Teilelements zu dessen anderem

Schenkelteil verläuft.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung erstrecken sich die Wicklungsachsen der zumindest zwei Wicklungen parallel zu ei ner Erstreckungsrichtung des Luftspalts. Insbesondere weisen die zumindest zwei Teilelemente die Form eines E mit einem Zentralteil, sich von den gegenüberliegenden Enden des Zentr alteils parallel erstreckenden Schenkelteilen und einem sich parallel zu den Schenkelteilen erstreckenden Mittelteil auf, wobei das jeweilige Mittelteil, das zwischen den beiden pa rallelen Schenkelteilen liegt, kürzer als die zwei Schenkel teile des gleichen Teilelements ist. Das Mittelteil ist ins besondere mittig zwischen den beiden Schenkelteilen des glei chen Teilelements angeordnet.

Wenn die zumindest zwei Teilelemente derart gegenüberliegen, dass Endflächen einander gegenüberliegender Schenkelteile der zumindest zwei Teilelemente jeweils unter Ausbildung eines kleinen Luftspalts gegenüberliegen, so ergibt sich zwischen den einander zugeordneten und in einer axialen Richtung ange ordneten Mittelteile der zwei Teilelemente der gewünschte (vergleichsweise größerer bzw. längere) Luftspalt, über den der Streupfad verläuft. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, die resultierende Streuinduktivität zu erhöhen.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist ein je weiliges Wicklungsfenster im Bereich der einander gegenüber liegenden Schenkelteile gebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Wicklungsfenster über ein Schenkelteil des ei- nen Teilelements und das in der gleichen axialen Richtung an geordnete andere Schenkelteil des anderen Teilelements hinweg verläuft .

Die erfindungsgemäße Wandleranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wicklungsanordnung gemäß der hierin vorliegen den Beschreibung ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs beispielen in der Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen sind dabei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen verse hen. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer bekannten, aus zwei leistungselektronischen Wandlern (Stufen) bestehenden Wandleranordnung, in Gestalt eines Hoch-Tief-Setzstellers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Wicklungsanord nung, bei der ein gemeinsamer Wicklungskern für die Induktivitäten der beiden leistungselektronischen Wandler vorgesehen ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Wicklungsanord nung aus Fig. 2, in der ein sich ergebender magne tischer Streupfad illustriert ist;

Fig. 4 eine Wicklungsanordnung gemäß einer ersten Ausge staltungsvariante der Erfindung; und

Fig. 5 eine Wicklungsanordnung gemäß einer zweiten Ausge staltungsvariante der Erfindung.

Die nachfolgend beschriebenen Varianten einer erfindungsgemä ßen Wicklungsanordnung 100 werden beispielhaft für die in Fig. 1 gezeigte und einleitend bereits beschriebene leis tungselektronische Schaltung mit zwei leistungselektronischen Wandlern beschrieben. Gemäß der ersten Ausgestaltungsvariante, die in Fig. 4 ge zeigt ist, umfasst ein Wicklungskern 100 zwei U-förmige Teil elemente 110, 120 und entspricht damit im Aufbau dem in Ver bindung mit den Figuren 2 und 3 gezeigten Wicklungskern. Das erste Teilelement 110 umfasst ein Mittelteil 111, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei Schenkelteile 112, 113 pa rallel in Richtung des zweiten Teilelements 120 erstrecken. Das zweite Teilelement 120 weist eine zu der Form des ersten Teilelements 110 identische Form auf. In entsprechender Weise umfasst das zweite Teilelement 120 ein Mittelteil 121, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei Schenkelteile 122, 123 parallel in Richtung des ersten Teilelements 110 erstre cken .

Die Schenkelteile 112, 113 des ersten Teilelements 110 und die Schenkelteile 122, 123 des zweiten Teilelements 120 wei sen jeweilige Endflächen 114, 115 bzw. 124, 125 auf. Die zwei Teilelemente 110, 120 sind dabei derart gegenüberliegend an geordnet, dass sich die Endflächen 114 und 124 der Schenkel teile 112, 122 sowie die Endflächen 115, 125 der Schenkeltei le 113 und 123 gegenüberliegen. Dabei ist ein Luftspalt 131 und 132 der identischen Länge 1 zwischen den jeweiligen End flächen 114, 124 und 115, 125 gebildet. Die Länge 1 ist grö ßer als eine vorausbestimmte Mindestlänge, welche beispiels weise durch Versuche oder numerische Berechnung bestimmt wer den kann. Die Mindestlänge ist derart, dass kein Streufluss von einem Teilelement auf das andere Teilelement übertreten kann .

Um das Mittelteil 111 des ersten Teilelements 110 ist eine erste Bandwicklung 116 gewickelt. In entsprechender Weise ist um das Mittelteil 121 des zweiten Teilelements 120 eine zwei te Bandwicklung 126 gebildet. Der Stromfluss in die Bandwick lungen 116, 126 erfolgt derart, dass sich der in den zwei

Teilelementen 110, 120 mit den Pfeilen fi und F 2 gezeigte, und in entgegengesetzte Richtungen verlaufende, magnetische Fluss ergibt. Durch den gezeigten Aufbau der Wicklungsanordnung und die Di mensionierung der Spaltlänge 1 der Luftspalte 131, 132 ergibt sich ein Streufeld f 3 , welches jeweils nicht über die Luft spalte 131, 132 verläuft, sondern für das erste Teilelement 110 von dem ersten Schenkelteil 112 zu dem Schenkelteil 113 und für das zweite Teilelement 120 von dem Schenkelteil 122 zum Schenkelteil 123 gerichtet ist. Durch die Länge 1 des Luftpfades kann die Größe des Streufeldes f 3 eingestellt wer den. Das an sich unerwünschte, aber hier künstlich erzeugte Streufeld f 3 sorgt für die erforderliche Induktivität zum Be treiben der leistungselektronischen Schaltung.

Eine in Luftspaltnähe auftretende Feldaufbauchung hat jedoch aufgrund der Anordnung der Wicklungen 116, 126 an den Mittel teilen 111, 122 keine Auswirkung auf die Wicklungsverluste. Aus diesem Grund ist die Verwendung von kostengünstigen und für Hochstromanwendungen gut geeigneten Bandwicklungen 116, 126 möglich. Insbesondere lassen sich die durch den hohen Gleichanteil des Wicklungsstromes resultierenden Verluste durch die Bandwicklung wirkungsvoll reduzieren.

Fig. 5 zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung für beispielhaft zwei leistungselektroni sche Wandler. Der Wicklungskern 200 umfasst ebenfalls zwei Teilelemente 210, 220. Die zwei Teilelemente 210, 220 weisen die Form eines E auf. Dabei erstrecken sich bei dem ersten Teilelement 210 von einem Zentralteil 221 (das in der Blatt ebene von oben nach unten verläuft) ein erstes Schenkelteil 222 und ein zweites Schenkelteil 223 von dessen gegenüberlie genden Enden parallel verlaufend in Richtung des zweiten Teilelements 220. Parallel zu den Schenkelteilen 212, 213 er streckt sich ein Mittelteil 214 in Richtung des zweiten Teil elements 220, das eine geringere Länge als die zwei parallel verlaufenden Schenkelteile 212, 213 aufweist.

In entsprechender Weise umfasst das zweite Teilelement 220 ein (in der Blattebene von oben nach unten verlaufendes) Zentralteil 221, von dessen gegenüberliegenden Enden sich zwei parallel erstreckende Schenkelteile 222, 223 in Richtung des ersten Teilelements 210 erstrecken. Parallel zu den

Schenkelteilen 222, 223 erstreckt sich ein Mittelteil 224 in Richtung des ersten Teilelements 210.

Der Aufbau des ersten und des zweiten Teilelements 210, 220 ist identisch.

Das erste und das zweite Teilelement 210, 220 werden an den Endflächen 215, 225 und 216, 226 einander zugeordneter Schen kelteile 212, 222 und 213, 223, jeweils unter Ausbildung ei nes kleinen Luftspalts li, 1 2 , aneinandergefügt. Bei dieser Anordnung kommen die Mittelteile 214, 224 in einer axialen Richtung zum Liegen. Aufgrund der geringeren Länge der Mit telteile 214, 224 ergibt sich ein parallel zu den Wicklungs achsen der Wicklungen 218, 228 erstreckender Luftspalt 231 der Länge 1, der größer ist als die Luftspalte li, 1 2 .

Wie ohne weiteres aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist eine erste Bandwicklung 218 zur Ausbildung einer Induktivität Li als Bandwicklung ausgebildet und erstreckt sich längs der axial angeordneten Schenkelteile 212, 222. Die Wicklung 228 er streckt sich über die Schenkelteile 213, 223 in axialer Rich tung .

Die Bestromung der Wicklungen 218, 228 erfolgt derart, dass sich ein Gleichanteil des magnetischen Flusses in den mit den Pfeilen fi, f 2 in Fig. 5 gekennzeichneten Richtungen er streckt und kompensiert. Das Streufeld f 3 verläuft über den Luftspalt 231 hinweg von dem Mittelteil 214 zu dem Mittelteil 224 des zweiten Teilelements 220. Durch die in Fig. 5 gezeig te Kernform mit separatem Streupfad lässt sich die resultie rende Streuinduktivität erhöhen, da sich der magnetische Wi derstand verringern lässt. Hierdurch ergibt sich ein höherer Induktivitätswert. Die optimale Länge des Luftspalts 231 so wie die Größe der Endfläche 217 bzw. 227 der Mittelteile 214, 224 kann durch Versuche bzw. Simulation bestimmt werden. Die Verwendung eines Wicklungskernes mit zwei E-förmigen Teilelementen erzeugt ein zusätzliches definiertes Streufeld, durch das sich der Wert der zu erreichenden Streuung gegen- über herkömmlichen Kerngeometrien deutlich erhöhen lässt.