Was entscheidet darüber, ob Luftspulen in Leistungsfiltern und maritimen Anwendungen sinnvoll sind?

Eine kernlose Spule ist dann eine sinnvolle Wahl, wenn eine Schaltung eine vorhersehbare Induktivität bei hoher Stromamplitude erfordert und eine Sättigung des magnetischen Materials nicht toleriert werden kann. Durch den Verzicht auf einen ferromagnetischen Kern entfallen Hystereseverluste und Begrenzungen durch die maximale magnetische Flussdichte. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Abmessungen der Wicklung und der Anteil der Kupferverluste.

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Bei Leistungsfiltern und Anlagen für maritime Umgebungen entscheidet daher das Verhältnis zwischen magnetischer Linearität, Verlusten, Temperatur und mechanischer Belastbarkeit. Diese Zusammenhänge sollten bereits analysiert werden, bevor die Nenninduktivität des Bauteils festgelegt wird.

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Wann bietet eine Luftspule Vorteile in einem Leistungsfilter?

Moderne Luftspulen bieten in Leistungsfiltern vor allem dann Vorteile, wenn die Induktivität trotz hoher momentaner Ströme oder eines erheblichen Oberschwingungsanteils stabil bleiben muss.

Das Fehlen eines ferromagnetischen Materials bedeutet, dass kein klassischer Sättigungspunkt des Kerns vorhanden ist. Näherungsweise hängt die Induktivität eines Solenoids dadurch hauptsächlich von der Windungszahl, der Querschnittsfläche der Wicklung und ihrer Länge ab und nicht von der nichtlinearen B-H-Kennlinie eines magnetischen Werkstoffs.

Der Konstrukteur erhält damit ein Bauteil mit einer besser vorhersehbaren L(I)-Kennlinie, insbesondere bei starken Änderungen der Stromamplitude. Der Preis dafür ist eine geringere Induktivität pro Volumeneinheit als bei einer Drossel mit Kern.

Bei der Beurteilung einer Luftspule sollten deshalb gleichzeitig folgende Parameter analysiert werden:

• Induktivität L – der Wert sollte nicht nur bei der Messfrequenz, sondern auch im tatsächlichen Arbeitsfrequenzbereich des Filters betrachtet werden;

• RMS- und Spitzenstrom – der Effektivstrom bestimmt hauptsächlich die thermische Belastung der Wicklung, während der Spitzenwert die elektrischen und mechanischen Anforderungen beeinflusst;

• AC-Widerstand der Wicklung – bei höheren Frequenzen kann er infolge von Skin- und Proximity-Effekt deutlich über dem DC-Widerstand liegen;

• Eigenresonanzfrequenz – parasitäre Kapazitäten zwischen den Windungen bilden zusammen mit der Induktivität einen Resonanzkreis, weshalb das Bauteil ausreichend unterhalb seiner SRF betrieben werden sollte;

• Gütefaktor Q – beschreibt das Verhältnis zwischen induktiver Reaktanz und Verlusten und hilft bei der Beurteilung des Verhaltens in Resonanzkreisen;

• Temperaturanstieg der Wicklung – die Temperatur ergibt sich unter anderem aus den I²R-Verlusten und der Wärmeabfuhr;

• Streufeld – das Fehlen eines geschlossenen magnetischen Kreises vergrößert die Reichweite des Feldes um die Wicklung und erfordert die Kontrolle möglicher Kopplungen mit benachbarten Stromkreisen.

Der Vorteil einer kernlosen Spule ergibt sich daher nicht allein aus dem fehlenden Sättigungseffekt. Die Lösung ist erst dann sinnvoll, wenn die Linearität der magnetischen Kennlinie für den jeweiligen Filter wichtiger ist als geringere Masse, kleinere Abmessungen oder eine kürzere Leiterlänge, die mit einer Kernkonstruktion erreicht werden könnten.

Wie verändert das Fehlen eines Kerns das Verhalten bei hohen Strömen?

Das Fehlen eines ferromagnetischen Kerns beseitigt den Mechanismus, durch den die Induktivität einer Drossel nach Überschreiten eines bestimmten Stromwerts stark abfallen kann.

Die im Magnetfeld einer Spule gespeicherte Energie beträgt W = 1/2 LI². Bei hohen Strömen kann das System daher erhebliche Energie speichern, ohne dass ein Kern in den Sättigungsbereich übergeht.

Die Induktivität bleibt in diesem Fall hauptsächlich von der Geometrie der Wicklung abhängig. Dies ist insbesondere bei Filtern wichtig, die mit leistungselektronischen Umrichtern zusammenarbeiten, bei denen neben der Grundschwingung auch Stromrippel und kurzzeitige Überlastzustände auftreten.

Das Fehlen von Kernverlusten bedeutet jedoch nicht, dass das gesamte Bauteil verlustfrei arbeitet. Für die Wicklung gilt P_Cu = I_RMS²R_AC, wobei R_AC mit zunehmender Frequenz infolge der ungleichmäßigen Stromdichteverteilung im Leiter ansteigt.

Bei Netzfrequenz kann weiterhin der DC-Widerstand und der daraus resultierende Temperaturanstieg entscheidend sein. Mit zunehmender Frequenz gewinnen dagegen Skin- und Proximity-Effekt an Bedeutung.

Leiterquerschnitt, Lagengeometrie und Windungsabstände sollten deshalb an das tatsächliche Stromspektrum und nicht ausschließlich an den Nennstrom angepasst werden.

Welche Grenzen müssen vor der Wahl einer kernlosen Konstruktion berechnet werden?

Eine Luftspule ist nicht automatisch die bessere Lösung als eine Drossel mit Kern, da für dieselbe Induktivität in der Regel eine größere Windungszahl oder eine größere Wicklungsgeometrie erforderlich ist.

Eine größere Leiterlänge erhöht den Widerstand, während das größere Magnetfeldvolumen die Bedeutung parasitärer Kopplungen verstärkt.

Die Auslegung sollte daher eine elektrische, thermische und elektromagnetische Analyse umfassen, bevor die endgültige Geometrie der Spule festgelegt wird.

Besonders zu prüfen sind:

• Induktivität bei der Betriebsfrequenz,

• DC- und AC-Widerstand,

• Kupferverluste bei RMS-Strom,

• Eigenresonanzfrequenz,

• Wicklungstemperatur im stationären Zustand,

• Abstand zu Bauteilen, die empfindlich auf magnetische Kopplung reagieren,

• mechanische Festigkeit der Wicklung bei Stoßströmen.

Das Magnetfeld erzeugt außerdem elektrodynamische Kräfte, die auf die Leiter wirken. In Anlagen, die Kurzschlüssen oder hohen Stromimpulsen ausgesetzt sein können, wird die mechanische Fixierung der Wicklung deshalb zu einem Auslegungsparameter und nicht lediglich zu einer Frage der Montage.

Warum verändert die maritime Umgebung die Anforderungen an eine Luftspule?

Eine maritime Umgebung erhöht die Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit der Wicklung gegenüber Feuchtigkeit, salzhaltiger Atmosphäre, Vibrationen und thermischen Zyklen. Deshalb reicht eine korrekte elektromagnetische Auslegung allein nicht aus.

Inducto entwickelt auch Geräte für maritime Anwendungen und berücksichtigt bei solchen Konstruktionen anspruchsvolle Umgebungsbedingungen sowie mechanische Belastungen.

Bei einer Luftspule bestimmt die Geometrie der Wicklung unmittelbar ihre Induktivität. Verschiebungen der Leiter infolge langfristiger Vibrationen können deshalb die elektrischen Eigenschaften des Bauteils beeinflussen.

Die Auswahl der Imprägnierung, des Isolationssystems und der Befestigung sollte zusätzlich die mögliche Kondensation von Feuchtigkeit sowie korrosive Umgebungsbedingungen an metallischen Oberflächen berücksichtigen.

Wann ist eine Spule mit Kern die bessere Lösung?

Eine Drossel mit Kern ist in der Regel vorteilhafter, wenn eine hohe Induktivität bei begrenztem Bauraum und einer relativ kleinen Windungszahl im Vordergrund steht.

Ein Kern mit geeignetem Werkstoff und entsprechend ausgelegtem Luftspalt kann die erforderliche Induktivität L in einer deutlich kompakteren Konstruktion ermöglichen.

Eine kernlose Lösung sollte deshalb nicht ausschließlich deshalb gewählt werden, weil sie das Problem der Kernsättigung vermeidet.

Bei Anwendungen mit moderatem Strom, kontrolliertem Frequenzspektrum und strikten Begrenzungen des Bauraums können die Vorteile eines Kerns die magnetischen Verluste überwiegen.

Der Vergleich sollte die L(I)-Kennlinie, die Gesamtverluste und die maximale Temperatur am ungünstigsten Betriebspunkt umfassen.

Die wichtigsten Informationen zur Auswahl einer Luftspule für Leistungsschaltungen

• Eine Konstruktion ohne ferromagnetischen Werkstoff behält ihre Induktivität auch bei Strömen bei, die eine klassische Drossel bereits in den Bereich der Kernsättigung bringen könnten.

• Das Fehlen von Hysterese- und Wirbelstromverlusten im Kern beseitigt nicht die Verluste in der Wicklung, die mit Effektivstrom und AC-Widerstand des Leiters steigen.

• Die größere Anzahl an Windungen, die zum Erreichen der erforderlichen Induktivität notwendig sein kann, erhöht möglicherweise Abmessungen, Widerstand und parasitäre Kapazitäten des Bauteils.

• Der offene magnetische Kreis vergrößert das Streufeld. Deshalb sollte die Anordnung der Komponenten im Gerät mögliche induzierte Spannungen in benachbarten Leitungen berücksichtigen.

• Maritime Bedingungen erfordern eine mechanische Stabilisierung der Wicklungsgeometrie sowie den Schutz des Isolationssystems vor langfristiger Feuchtigkeit und korrosiver Atmosphäre.

• Die Entscheidung zwischen einer kernlosen Konstruktion und einer Ausführung mit Kern sollte auf Berechnungen für das tatsächliche Stromspektrum, die Betriebstemperatur und die räumlichen Einschränkungen des Geräts gestützt werden.

FAQ

Kann eine Luftspule mit sehr hohen Strömen betrieben werden?

Eine Luftspule besitzt keine Stromgrenze, die aus der Sättigung eines ferromagnetischen Kerns resultiert. Sie unterliegt jedoch weiterhin thermischen und mechanischen Begrenzungen.

Der maximal zulässige Strom wird unter anderem durch den Leiterquerschnitt, die zulässige Isolationstemperatur und die elektrodynamischen Kräfte bei Überlastungen und Kurzschlüssen bestimmt.

Reduziert ein größerer Leiterquerschnitt immer die Verluste einer Luftspule?

Ein größerer Querschnitt reduziert den DC-Widerstand, garantiert bei höheren Frequenzen jedoch keine proportionale Verringerung des AC-Widerstands.

Skin-Effekt und das von benachbarten Windungen erzeugte Feld können Änderungen der Leitergeometrie oder der Wicklungsausführung erforderlich machen, anstatt lediglich den Leiterdurchmesser zu vergrößern.

Spielt die Ausrichtung mehrerer Spulen zueinander in einem mehrphasigen Filter eine Rolle?

Ja. Das Streufeld einer Spule kann sich magnetisch mit einer benachbarten Wicklung koppeln und deren effektive Induktivität verändern oder eine zusätzliche Spannung induzieren.

Der Abstand zwischen den Bauteilen und die Orientierung ihrer magnetischen Achsen sollten deshalb bereits bei der räumlichen Auslegung des Geräts geprüft werden.