Die Erfindung bezieht sich auf eine Drossel nach dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruchs.

Eine Ausgangsdrossel eines Frequenzumrichters begrenzt eine Ableitung du/dt einer Ausgangsspannung eines Umformers und schützt somit Wicklungen eines vom Frequenzumrichter speisenden Motors vor Teilentladungen. Außerdem begrenzt die Ausgangsdrossel Lagerströme, die durch eine von einer impulsförmigen Dreiphasen-Ausgangsspannung des Umformers gebildete Gleichtaktspannung im Motor verursacht werden. Es ist für die Funktion der Ausgangsdrossel vorteilhaft, dass ihre Induktivität bei großen Frequenzen möglichst groß und bei Ausgangsfrequenzen des Umformers möglichst klein ist, damit kein unnötiger Spannungsrückgang entsteht. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Drossel Schwingungen eines Gleichtaktstroms dämpfende Verluste aufweist.

Es ist bekannt, als Ausgangsdrossel des Frequenzumrichters eine mit einem Eisenkern versehene Ausgangsdrossel ohne Joch zu verwenden. Ein Problem einer derartigen Ausgangsdrossel ist die Suffizienz der Induktivität in einem Frequenzbereich, der sich von Dutzenden Kilohertz auf mehrere Megaherz erstreckt. Bei Frequenzen von der oben erwähnten Größe entsprechen die Eigenschaften einer Drossel mit einem Eisenkern im Großen und Ganzen den Eigenschaften einer Drossel mit einem Luftkern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel bereitzustellen, mit der das oben erwähnte Problem gelöst werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Drossel gelöst, die im unabhängigen Schutzanspruch beschrieben ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.

Die Erfindung beruht darauf, dass ein in einer Wicklung befindlicher innerer Kernteil neben einem Eisenkernteil einen Hochfrequenzteil aufweist, der ein Hochfrequenzmaterial aufweist, dessen Permeabilität bei großen Frequenzen wesentlich größer als die Permeabilität des Materials des Eisenkernteils ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Drossel liegt darin, dass die Drossel sowohl eine relativ große Induktivität bei großen Frequenzen als auch die Fähigkeit, ungünstige Schwingungen eines Gleichtaktstroms zu dämpfen, aufweist.

Die erfindungsgemäße Drossel eignet sich zum Beispiel als Ausgangsdrossel eines Frequenzumrichters und insbesondere als Ausgangsdrossel eines einen Elektromotor speisenden Frequenzumrichters.

Die Erfindung wird jetzt im Zusammenhang mit den vorteilhaften Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

1 eine Prinzipzeichnung eines Querschnitts einer Drossel nach einer Ausführungsform der Erfindung in axialer Richtung gesehen und

2 die angeschnittene Drossel der 1 von der Seite her gesehen.

In 1 wird ein in axialer Richtung gesehener Querschnitt einer Drossel gezeigt, die eine Wicklung 2, ein Kernelement 4 und ein Kühlelement 10 aufweist. Die Wicklung 2 weist mehrere Windungen auf, die in die Wicklung 2 einen wesentlich rohrförmigen Gang 6 bestimmen, der sich in axialer Richtung erstreckt. Das Kernelement 4 weist einen sich im erwähnten Gang 6 erstreckenden inneren Kernteil 5 und einen in radialer Richtung außerhalb der Wicklung 2 angebrachten äußeren Kernteil 7 auf.

Die Drossel der 1 ist eine Einschenkeldrossel. Mit ihrer axialer Richtung wird hier eine Richtung gemeint, die zu einem im inneren Kernteil der Drossel in der Praxis entstehenden Magnetfluss im wesentlichen parallel ist. Mit der radialen Richtung der Drossel wird eine gegen die erwähnte axiale Richtung senkrechte Richtung gemeint.

Der innere Kernteil 5 weist einen Eisenkernteil 14 und einen Hochfrequenzteil 15 auf. Der Eisenkernteil 14 enthält einen aus einem Transformatorenblech hergestellten Blechkern, das zwei von Transformatorenblechstreifen aufgestapelte Stapel aufweist, deren Querschnitt in axialer Richtung gesehen die Form eines rechteckigen Parallelogramms hat. Der Hochfrequenzteil 15 enthält ein Hochfrequenzmaterial, dessen Permeabilität bei großen Frequenzen wesentlich größer als die Permeabilität des Materials des Eisenkernteils 14 ist. Das Hochfrequenzmaterial ist pulverförmig und es ist in zwei sich in axialer Richtung der Drossel erstreckenden Pulverkanälen 18 angeordnet. Das Hochfrequenzmaterial kann zum Beispiel pulverförmiges Ferrit oder pulverförmiges Magnesit sein.

Der Eisenkernteil 14 und der Hochfrequenzteil 15 des inneren Kernteils 5 sind so bemessen, dass bei kleinen Frequenzen, d.h. zum Beispiel im Frequenzbereich von 50 Hz bis 300 Hz, der größte Teil des in der Wicklung 2 verlaufenden Magnetflusses im Eisenkernteil 14 verläuft, und bei großen Frequenzen, d.h. wenigstens auf Frequenzen mit Dutzenden Kilohertz, der größte Teil des in der Wicklung 2 verlaufenden Magnetflusses im Hochfrequenzteil 15 verläuft.

Die Schnittfläche des Hochfrequenzteils 15 ist in der Ausführungsform der 1 kleiner als die Schnittfläche des Eisenkernteils 14.

Der äußere Kernteil 7 umgibt die Wicklung 2 in radialer Richtung und weist dasselbe pulverförmige Hochfrequenzmaterial wie der Hochfrequenzteil 15 des inneren Kernteils 5 auf. Ein Gehäuse 16 umgibt das Hochfrequenzmaterial des äußeren Kernteils 7 und es ist angeordnet, das pulverförmige Hochfrequenzmaterial um die Wicklung 2 zu halten.

Die magnetischen Eigenschaften des äußeren Kernteils 7 können durch das im Gehäuse 16 befindliche Pulver bewirkt werden. Das Gehäuse 16 kann also außer aus ferromagnetischem Werkstoff auch aus dia- oder paramagnetischem Werkstoff bestehen.

Der äußere Kernteil 7 wird vorzugsweise derart angeordnet, dass der größte Teil des Magnetflusses der Drossel darüber verläuft, wenn die Drossel verwendet wird.

Der äußere Kernteil reduziert das Übertragen von Störungen auf in der Nähe liegende Komponenten, wie auf andere Drosseln.

Das in dem in der Wicklung 2 befindlichen, wesentlich rohrförmigen Gang 6 angebrachte Kühlelement 10 ist angeordnet, die Drossel zu kühlen. Das Kühlelement 10 erstreckt sich zwischen dem Transformatorenblechstapel des Eisenkernteils 14 und es umgibt jeden Transformatorenblechstapel in radialer Richtung von drei Seiten. Das Kühlelement 10 weist auch einen sich axial erstreckenden Kühlkanal 12 auf, der angeordnet ist, flüssiges Kühlmittel aufzunehmen. Neben dem Kühlkanal 12 gehen auch die Pulverkanäle 18 axial durch das Kühlelement 10.

Das Kühlelement 10 besteht vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Werkstoff. Außerdem besteht das Kühlelement 10 vorzugsweise aus dia- oder paramagnetischem Werkstoff, wobei darin nur wenige magnetische Verluste entstehen. Das Kühlelement 10 kann zum Beispiel aus Aluminium bestehen.

Das flüssige Kühlmittel kann zum Beispiel Wasser sein. Das Kühlsystem der Drossel kann eine Pumpe aufweisen, mit der man das Kühlmittel in den Kühlkanälen des Kühlelements zirkulieren lässt.

Im pulverförmigen Hochfrequenzmaterial des inneren Kernteils 5 und des äußeren Kernteils 7 entstehen keine bedeutenden Hysterese- oder Wirbelstromverluste. Wenn das Kühlelement 10 und das Gehäuse 16 der Drossel der 1 aus irgendeinem anderen Werkstoff als aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen, entstehen bei der Verwendung der Drossel wärmeerzeugende Verluste vor allem im Eisenkernteil 14 und in der Wicklung 2.

Weil im pulverförmigen Hochfrequenzmaterial weder Hysterese- noch Wirbelstromverluste entstehen, kann das Pulver hinsichtlich der Kühlung frei angebracht werden. Andererseits, weil keine Verluste bestehen, hat das Pulver auch keine die nachteiligen Schwingungen dämpfende Eigenschaft, die das Eisen wiederum in dem Frequenzbereich hat, in dem das Eisen noch wirksam ist. Hinsichtlich der Dämpfung der nachteiligen Schwingungen ist es somit vorteilhaft, dass der innere Kernteil eine gewisse Menge Eisen und nicht nur pulverförmiges Hochfrequenzmaterial enthält.

Bei der Beurteilung des Kühlbedarfs der Drossel der 1 sollen auch die im Gehäuse 16 entstehenden Verluste beachtet werden. Vorzugsweise wird das Gehäuse 16 derart geplant, dass darin keine großen Verluste entstehen.

Mit einem passend gewählten Hochfrequenzmaterial kann ein wesentlicher Teil der Induktivität der Drossel außer bei großen Frequenzen auch bei kleinen Frequenzen, d. h. Frequenzen, bei denen die Permeabilität von Eisen noch im verwendbaren Bereich ist, bewirkt werden. Durch das Hochfrequenzmaterial kann also ein gewisser Teil von Eisen ersetzt werden, wobei die bei der Verwendung der Drossel entstehenden Verlustwärme abnimmt. Die geringere Verlustwärme verringert die für die Drossel erforderliche Kühlleistung. Die kleineren Wärmeverluste ermöglichen auch die Verwendung der Drossel bei größeren Frequenzen als bisher.

Aus dem Schnitt gemäß 2 ist ersichtlich, dass das Kernelement 4 zwei Endteile 20 aufweist, von denen jeder sich neben einem entsprechenden axialen Ende der Wicklung 2 so befindet, dass die Endteile 20 die Wicklung in axialer Richtung umgeben. Die Endteile 20 weisen dasselbe Hochfrequenzmaterial wie der innere Kernteil 5 und der äußere Kernteil 7 auf.

Gemäß 2 schaffen die Endteile 20 eine magnetische Verbindung zwischen dem inneren Kernteil 5 und dem äußeren Kernteil 7 so, dass der Magnetfluss der Wicklung 2 in der Lage ist, sich durch das Hochfrequenzmaterial zu schließen. Das Hochfrequenzmaterial wird so gewählt und seine Menge wird vorzugsweise so bemessen, dass sich das Hochfrequenzmaterial nicht sättigt, wenn die Drossel verwendet wird. Der Kühlkanal 12 geht an seinen beiden axialen Enden durch das Gehäuse 16 und den Endteil 20. Auf diese Weise wird die Zirkulation des im Kühlkanal 12 befindlichen Kühlmittels über eine mit der Drossel verbundene (nicht dargestellte) Kühlanlage ermöglicht.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Eisenkernteil 14 an seinen beiden Enden in axialer Richtung ebenso weit wie das entsprechende Endteil 20, wobei die Endteile 20 also den Eisenkernteil 14 nicht in axialer Richtung umgeben.

Oben ist eine einphasige Ausführungsform der Drossel nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es ist jedoch klar, dass die erfindungsgemäße Drossel auch mehrphasig verwirklicht werden kann. Es ist auch klar, dass die erfindungsgemäße Drossel zum Beispiel eine oder mehrere Joche enthalten kann.

Es ist für einen Fachmann offenbar, dass die Grundidee der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen beschränken sich somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele, sondern sie können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.