EP0783171A2 - Induktives Bauelement zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen - Google Patents

Induktives Bauelement zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen Download PDF

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EP0783171A2
EP0783171A2 EP96118928A EP96118928A EP0783171A2 EP 0783171 A2 EP0783171 A2 EP 0783171A2 EP 96118928 A EP96118928 A EP 96118928A EP 96118928 A EP96118928 A EP 96118928A EP 0783171 A2 EP0783171 A2 EP 0783171A2
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inductive component
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Peter Aufleger
Herbert Baschke
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TDK Electronics AG
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Siemens Matsushita Components GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type with magnetic core

Definitions

  • the invention relates to an inductive component for damping common-mode and push-pull interference in n-conductor systems with n ⁇ 2 conductors.
  • Push-pull interference only spreads along the connected lines, with the interference current in a two-conductor system flowing on one conductor to the interference sink and back on the other conductor to the interference source.
  • the two interference currents are therefore in push-pull mode, which is why this fault is referred to as push-pull fault or also as symmetrical fault.
  • Parasitic capacitances in the interference source and sink or the intended ground connections also result in an interference current in the earth circuit.
  • the interference current flows back on the conductors to the interference sink and via earth lines.
  • the interference currents on the lines are in common mode, which is why this interference is referred to as common mode or asymmetrical interference.
  • the object of the present invention is to provide an inductive component which combines the components for interference suppression of symmetrical and asymmetrical interference in one component for use in locking n (n ⁇ 2) lines, which component can be produced cost-effectively and has low self-losses.
  • the component consists of a body made of a permeable material, that the body has n holes and that the electrical conductors are arranged in the holes.
  • an inductive component 1 for suppressing a three-phase current with a 120 ° phase rotation is shown with three lines 2.
  • the inductive component 1 consists of a disk 3 with the radius R made of a permeable, preferably highly permeable, material. Holes 4 are arranged in the disk 3 on a radius r through which the electrical conductors 2 are guided. The holes 4 are arranged at an angle of 120 °, which results in zero as the sum of the currents of the introduced conductors 4. With this arrangement, the compensation of the magnetic fluxes generated by the operating current is achieved. This enables the use of highly permeable materials with very low saturation limits, which leads to very high inductances at high nominal currents.
  • the inductive component 1 acts like a current-compensated inductor with a high asymmetrically acting inductance depending on the radii R, r and the thickness of the disk 3.
  • the resulting symmetrically acting inductance is due to the shape of the disk 3, influenced by the type and location as well as the number of holes 4.
  • the saturation limit of the symmetrically acting inductor is increased, whereby the nominal current can also be increased further by this measure.
  • the location and type, as well as the number of air gaps is an instrument for adapting to a wide variety of requirements. By bridging an air gap, new air gaps can also be formed.
  • the inductive component according to the invention can be used in networks of alternating and direct current with a wide variety of harmonic and wave forms, current and voltage pulses for damping common and push-pull interference.
  • it is suitable for locking cables for a frequency range from a few kHz to a few GHz.
  • the operating currents range from a few mA to the kA range.
  • the inductors, which are used as interference elements in the interference suppression circuits have low self-losses.
  • Variants of the inductive component described in the above-mentioned exemplary embodiment are, for example, number of turns ⁇ 1 or different number of turns (based on individual conductors). Furthermore, by selecting different materials (permeability), arrangement and number of holes, design and number of air gaps and / or combination of different materials, adjustments can be made to the individual application. Furthermore, cascading (for example increasing the inductance by means of several, even different, panes in a row) and interconnecting differently shaped panes with a common conductor are also possible. When combined with that in the Multiple feedthrough capacitors described in DE 43 11 124 A1 provide filters for applications in the MHz range.
  • the body can also be designed in a different way (for example cylindrical, prismatic or the like).
  • the design depends on the requirements and, if necessary, on the number n of conductors.
  • the cross section of the body can be elliptical or oval for two conductors, rectangular for four conductors, pentagonal for five conductors and hexagonal for six conductors.

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Abstract

Ein induktives Bauelement (1) zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen in n-Leiter-Systemen mit n>=2 Leitern (2) besteht aus einem Körper (3) aus einem permeablen Werkstoff. Der Körper (3) weist n Löcher (4) auf in denen die elektrischen Leiter (2) angeordnet sind. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen in n-Leiter-Systemen mit n≥2 Leitern.
  • Zur Dimensionierung von EMV-Filtern (Eletromagnetische Verträglichkeit) müssen die Ausbreitungsverhältnisse leitungsgebundener Störungen betrachtet werden. Hierbei wird unter Gleich- und Gegentaktstörungen unterschieden.
  • Gegentaktstörungen breiten sich nur längs der angeschlossenen Leitungen aus, wobei der Störstrom bei einem Zweileitersystem auf einem Leiter zur Störsenke hin- und auf dem anderen Leiter zur Störquelle zurückfließt. Die beiden Störströme befinden sich somit im Gegentakt, weshalb diese Störung als Gegentaktstörung oder auch als symmetrische Störung bezeichnet wird.
  • Parasitäre Kapazitäten in Störquelle und -senke beziehungsweise beabsichtigte Masseverbindungen haben jedoch auch einen Störstrom im Erdkreis zur Folge. Der Störstrom fließt hierbei auf den Leitern zur Störsenke und über Erdleitungen zurück. Die Störströme auf den Leitungen befinden sich im Gleichtakt, weshalb diese Störung als Gleichtaktstörung oder auch als asymmetrische Störung bezeichnet wird.
  • Zur Bedämpfung asymmetrischer Störungen werden stromkompensierte Drosseln verwandt. Diese Induktivitäten sind jedoch zur Bedämpfung symmetrischer Störungen nicht geeignet, da die hierfür erforderliche Streuinduktivität sehr gering ist (≤ 1 % der asymmetrischen Komponente). Um diesen Nachteil der geringen Wirksamkeit gegenüber symmetrischen Störungen auszugleichen, werden deshalb zusätzlich Induktivitäten eingesetzt, die gegenüber symmetrischen Störungen wirksam sind. Dies sind zum Beispiel Stab- oder Ringkerndrosseln, deren Induktivität wegen der Verwendung niederpermeabler Kerne sehr niedrig ist. Die Kosten derartiger Lösungen sind jedoch vergleichsweise hoch. Weiterhin ist auch die Verlustleistung derartiger Systeme ziemlich hoch.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktives Bauelement anzugeben, das für den Einsatz zur Verriegelung von n (n≥2) Leitungen die Komponenten zur Entstörung symmetrischer und asymmetrischer Störungen in einem Bauteil vereinigt, das kostengünstig herzustellen ist und niedrige Eigenverluste aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauelement aus einem Körper aus einem permeablen Werkstoff besteht, daß der Körper n Löcher aufweist und daß in den Löchern die elektrischen Leiter angeordnet sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
  • In der dazugehörenden Zeichnung mit einer einzigen Figur ist ein induktives Bauelement 1 zur Entstörung eines Drehstroms mit 120° Phasendrehung mit drei Leitungen 2 dargestellt.
  • Das induktive Bauelement 1 besteht aus einer Scheibe 3 mit dem Radius R aus einem permeablen, vorzugsweise hochpermeablen, Werkstoff. In der Scheibe 3 sind Löcher 4 auf einem Radius r angeordnet durch welche die elektrischen Leiter 2 geführt sind. Die Löcher 4 sind in einem Winkel von 120° angeordnet, wodurch sich als Summe der Ströme der eingebrachten Leiter 4 Null ergibt. Durch diese Anordnung wird somit die Kompensation der durch den Betriebsstrom erzeugten magnetischen Flüsse erreicht. Dadurch wird der Einsatz von hochpermeablen Werkstoffen mit an sich sehr niedrigen Sättigungsgrenzen ermöglicht, was zu sehr hohen Induktivitäten bei hohen Nennströmen führt.
  • Im äußeren Bereich 5 (R-r) wirkt das induktive Bauelement 1 ähnlich einer stromkompensierten Drossel mit einer hohen asymmetrisch wirkende Induktivität abhängig von den Radien R, r sowie der Dicke der Scheibe 3. Die sich ergebende symmetrisch wirkende Induktivität ist durch die Form der Scheibe 3, durch die Art und Lage sowie die Anzahl der Löcher 4 zu beeinflussen. Durch das Anbringen von mindestens einem Luftspalt wird die Sättigungsgrenze der symmetrisch wirkenden Induktivität erhöht, wobei durch diese Maßnahme auch der Nennstrom weiter gesteigert werden kann. Die Lage und Art, sowie die Anzahl der Luftspalte ist ein Instrument zur Anpassung an unterschiedlichste Anforderungen. Durch Überbrückung eines Luftspalts lassen sich auch neue Luftspalte bilden.
  • Das induktive Bauelement nach der Erfindung kann in Netzen von Wechsel- und Gleichstrom mit unterschiedlichsten Oberwellen- und Wellenformen, Strom- und Spannungsimpulsen zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen eingesetzt werden. Bei Einsatz in Filtern eignet es sich zur Verriegelung von Leitungen für einen Frequenzbereich von einigen kHz bis einigen GHz. Die Betriebsstromstärken reichen dabei von einigen mA bis in den kA-Bereich. Hierfür ist es erforderlich, daß die Induktivitäten, die zur Entstörung als Längsglieder in den Entstörschaltungen eingesetzt werden, niedrige Eigenverluste aufweisen.
  • Es ist somit möglich, durch die variable Einstellung, Gestaltung und Ausführung des induktiven Bauelements gemäß der Erfindung räumlich kleine, verlustarme und kostengünstige Entstörkomponenten für die unterschiedlichsten Anforderungen herzustellen, um Geräte, Anlagen und Systeme zu entstören.
  • Varianten des im obengenannten Ausführungsbeispiel beschriebene induktiven Bauelements sind zum Beispiel Windungszahlen ≥1 beziehungsweise unterschiedliche Windungszahlen (bezogen auf Einzelleiter). Weiterhin können durch Auswahl unterschiedlicher Werkstoffe (Permeabilität), Anordnung und Anzahl der Löcher, Gestaltung und Anzahl der Luftspalte und/oder Kombination verschiedener Werkstoffe Anpassungen an den einzelnen Einsatzfall vorgenommen werden. Ferner ist auch eine Kaskadierung (zum Beispiel Erhöhung der Induktivität durch mehrere, auch unterschiedliche Scheiben hintereinander) sowie die Zusammenschaltung verschieden gestalteter Scheiben mit gemeinsamen Leiter möglich. Bei Kombination mit dem in der DE 43 11 124 A1 beschriebenen Mehrfach-Durchführungskondensator erhält man Filter für Anwendungen im MHz-Bereich.
  • Neben dem im Ausführungsbeispiel dargestellten scheibenförmigen Körper kann der Körper auch in anderer Art ausgebildet sein (zum Beispiel zylinderförmig, prismatisch o. dgl.). Die Ausgestaltung richtet sich nach den Anforderungen und gegebenenfalls nach der Anzahl n der Leiter. Beispielsweise kann der Querschnitt des Körpers bei zwei Leitern ellipsenförmig oder oval, bei vier Leitern rechteckförmig, bei fünf Leitern fünfeckig und bei sechs Leitern sechseckig sein.

Claims (12)

  1. Induktives Bauelement (1) zur Bedämpfung von Gleich- und Gegentaktstörungen in n-Leiter-Systemen mit n≥2 Leitern (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Bauelement (1) aus einem Körper aus einem permeablen Werkstoff besteht, daß die Körper n Löcher (4) aufweist und daß in den Löchern (4) die elektrischen Leiter (2) angeordnet sind.
  2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Körper symmetrisch zu seiner Mittelachse ausgebildet ist.
  3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Löcher (4) symmetrisch zur Achse des Körpers angeordnet sind
  4. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Körper aus einem hochpermeablen Werkstoff besteht.
  5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Körper als Scheibe (3) ausgebildet ist.
  6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Körper mindestens ein Luftspalt angeordnet ist.
  7. Induktives Bauelement nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Luftspalt überbrückt ist.
  8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Windungszahl der elektrischen Leiter (2) ≥ 1 ist.
  9. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die einzelnen Leiter (2) unterschiedliche Windungszahlen besitzen.
  10. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Körper aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten aufgebaut ist.
  11. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere Körper hintereinander angeordnet sind.
  12. Induktives Bauelement nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Körper aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
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