Hallo zusammen, ich habe eine Grundlagenfrage, um eine Spule mit geringer Verlustleistung zu bauen. Wie wichtig ist es bei einer effektiven Spule, dass man die Sättigungsflussdichte nicht erreicht, bzw. die Hysterese zu vermeiden? Bzw. bei gleicher Induktivität eine geringe mag. Flussdichte generiert wird: L/B = A [m²] * N / I [A] Natürlich würden über ein hohes N auch die Kupferverluste steigen, aber das ist eine andere Baustelle. Gerne auch Literatur. Vielen Dank!
PeterAufDemBerg schrieb: > Wie wichtig ist es bei einer effektiven Spule, dass man die > Sättigungsflussdichte nicht erreicht, bzw. die Hysterese zu vermeiden? Grundsätzlich gibt es in einer Spule Kupferverluste und Kernverluste. Beide gilt es möglichst genau anhand der Parameter zu bestimmen. Dann kann man entsprechend berechnen, unter welchem Design die geringsten Verluste auftreten. Das ist allerdings nicht trivial, und nach wie vor forscht man auf diesem Gebiet und bietet neue Ansätze. Grundsätzlich gilt: Je größer deine Flussdichte schwingt, desto größer sind deine Kernverluste. Möchtest du die Kernverluste verringern, z.B. durch mehr Windungen, so steigen deine Kupferverluste wegen des größerem DC und AC Widerstandes. Ergo: Es handelt sich immer um ein Trade-off. Gruß
Danke für die Antwort Alexander! Also bei Vernachlässigung der Kupferverluste: Höheres N würde bei gleichem Strom und Induktivität zu einer Verringerung der Kernverluste führen (da geringere B Änderungen vorliegen). Welchen Einfluss hat die Hysterese auf die Verluste? Macht es überragenden Sinn die Hysterese nicht zu fahren bzw. die Sättigungsflussdichte nicht zu erreichen?
PeterAufDemBerg schrieb: >Höheres N würde bei >gleichem Strom und Induktivität zu einer Verringerung der Kernverluste >führen Mehr Windungen bei gleichem Strom bedeutet stärkere Magnetisierung. Warum sollte stärkere Magnetisierung die Verluste verringern, ist eigentlich unlogisch. Die Kernverluste sind überwiegend von Frequenz und Kernmaterial abhängig. >Macht es >überragenden Sinn die Hysterese nicht zu fahren bzw. die >Sättigungsflussdichte nicht zu erreichen? Ja.
Peter, Du solltest noch viel verschiedenes dazu lesen. "Die Hysterese nicht fahren" - das geht nicht. Man kann "bei reiner DC immer am selben Punkt der Hysterese-Kurve verbleiben" - mehr nicht. (Das aber ist nicht der Nullpunkt im B/H-Koordinatensystem...) Dabei entstehen dann keine Kernverluste. Bei (periodisch) pulsierender DC oder bei AC bewegt man sich (periodisch) innerhalb der Kurve herum, und das erzeugt die Kernverluste. Du verstehst noch vieles falsch oder nicht. Ist aber nicht schlimm, nur mußt Du Dir den Großteil der Grundlagen halt noch selbst beibringen. Lies einfach noch mehr dazu.
Danke für eure Antworten! Hört sich unlogisch an, ist es aber nach meinem Wissensstand nicht. Die Induktivität ~ N*N und die Flussdichte ~ N. Womit die Windungszahl auf die Induktivität einen größeren Einfluss hat als auf Flussdichte. Praktisch erreicht man das mit einer Vergrößerung des magnetischen Widerstandes (Luftspalt). Jetzt muss man mehr Windungen für die gleiche Induktivität wickeln, aber schafft hiermit auch eine geringere Flussdichte bei gleicher Induktivtät/Fläche/Strom. Nach der Steinmetz-Formel: P_Core = k * f^(1,1 bis 1,9) * B^(1,6 bis 3) An der Frequenz kann ich nicht viel ändern. Aber besonders die Flussdichte haut extrem in die Verluste rein. Demnach ist eine Reduktion der Flussdichte wichtig. Problematisch werden hier nur die Kupferverluste bei höherem N.
Günter Lenz schrieb: >>Höheres N würde bei >>gleichem Strom und Induktivität zu einer Verringerung der Kernverluste >>führen > > Mehr Windungen bei gleichem Strom bedeutet stärkere Magnetisierung. Ja, nur war das gar nicht gefragt. Da steht: "Höheres N würde bei gleichem Strom *und Induktivität*". Das bedeutet, dass der magnetische Widerstand dann höher sein muss und die Magnetisierung und die Flussdichte abnimmt. Somit nehmen auch die Kernverluste ab.
PeterAufDemBerg schrieb: > An der Frequenz kann ich nicht viel ändern. Aber besonders die > Flussdichte haut extrem in die Verluste rein. Demnach ist eine Reduktion > der Flussdichte wichtig. Die Flussdichte alleine hat nur bedingt Aussagekraft hinsichtlich der Kernverluste. Es ist wichtig zu verstehen, dass man ein möglichst kleines
erreichen möchte, wenn geringe Kernverluste gewünscht sind. Das Bild im dem folgenden Link zeigt den Strom durch eine Induktivität eines DC/DC Wandlers (Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller etc.): http://m.eet.com/media/1101504/Fig2.jpg Du hast einen Gleichstromanteil Iout (average output current) und du hast einen überlagerten Rippel (minimum ripple current und maximum ripple current). Nun wissen wir, dass Strom in einer Induktivität mit einem magnetischen Feld in Verbindung gebracht werden kann. Entsprechend lässt sich zu jedem Stromwert die magnetische Flussdichte berechnen. Das bedeutet, dass es zu einem minimum inductor current entsprechend eine minimale Flussdichte gibt. Gleichermaßen gibt es zu maximum inductor current eine maximale Flussdichte. Das bedeutet, dass in jedem Schaltzyklus die magn. Flussdichte zwischen minimum und maximum wechselt. Das ist das
von dem ich anfangs geschrieben habe. Und jenes
sorgt für Kernverluste. Für geringe Kernverluste möchte man dieses
möglichst gering halten. Wo dieses
in deiner B-H Kurve auftritt, ist hinsichtlich der Kernverluste für deinen Wissensstand zweitrangig.
:
Bearbeitet durch User
Nochmal danke an alle Beteiligten! Ich denke jetzt nötige Wissen zu haben für den nächsten Schritt. Jetzt kann richtig angefangen werden... :-)
PeterAufDemBerg schrieb: > Jetzt kann richtig angefangen werden... :-) So? Womit denn? Als nächsten Schritt nach dem "Hineinschnuppern" jetzt das "Richtig-feste-dazu-lernen"? Ich fürchte: Nein. Denn Deine Eingangsfrage hörte sich nach ersten Anfängen der Theorie an (und ließ auch keine direkte/zeitnahe Absicht zu einer praktischen Umsetzung erahnen, bzw. implizierte nichts dergleichen). Aber dieser Spruch hört sich an, als fühlst Du Dich plötzlich mental bereit, und mit ausreichend Grundlagen ausgestattet, um irgendwas in Richtung Gleichspannungswandler zu bauen. Ersteres magst Du sein. Zweiteres nicht. Meiner Vermutung folgend - DC-DC-Converter - muß man noch sehr viel mehr wissen. Z.B. was genau soll versorgt werden, welche Leistungsklasse (W), welche Ein- und Ausgangsspannung (V), welche Leistungsdichte (W/cm³), welche Frequenz (Hz), welche Topologie, welche Ansteuerung, ... ... viele Variablen, von denen praktisch alle Einfluß auf die Wahl von geeigneten Materialien, geeigneten Bauformen und geeigneten Größen für den Kern der (von Dir verlustarm erwünschten) Spule haben. Außer natürlich, Du weißt in Wirklichkeit schon mehr, als Du bisher zeigtest, oder wirst Dich noch / hast Dich schon an anderer Stelle weiter informier-en/-t, oder es ist dir egal, den ersten Versuch wahrscheinlich (mit Verlaub - also nicht böse gemeint) zu "versemmeln". (Und nein - im Moment glaube ich noch nicht, daß Du genug weißt, um diese "Versemmelung" zumindest als entscheidenden Zwischenschritt nutzen zu können - denn dafür dürfte man den Versuch eben höchstens halb versemmeln...) Falls ich also recht habe, und Du auf diesem Thread aufbauend einen Konverter planen und bauen willst, dann: Tu Dir doch bitte einen Gefallen, und nenne hier, oder in einem neuen Thread, sehr viel genauer, worauf Du hinarbeitest. Denn der einzige Tipp (jetzt zu Bau statt Therorie), der mir ohne Infos noch einfällt, ist: Die geringsten (bezahlbaren (#)) Verluste bei Spulen für Schaltnetzteilen erzielt man für gewöhnlich mit dem Kernmaterial Ferrit - wobei dieser Kern dann einen Luftspalt haben muß, und man die Windungszahl selbst bestimmen kann. Es gibt Ferrite angepaßt an verschiedene Frequenzbereiche. Des weiteren gilt: Die Verluste sinken mit steigender Größe des Kerns, da man dabei - noch weiter von der Sättigung entfernt - mit sinkender Aussteuerung arbeiten kann. Umgekehrt: Ein Kern, den man doppelt so weit aussteuern muß, erzeugt mehr als nur das doppelte an Verlusten... Für primär geringste Verluste (Eingangsfrage!) sollte der Kern also aus hochqualitativem, an die Frequenz angepaßtem Ferrit, und so groß wie möglich sein. Wobei es natürlich eine sinnvolle Obergrenze gibt - auch, weil die Verlustverringerung nicht linear ist, und bei laufender Vergrößerung irgendwo den Sinn verliert - aber auch aus finanziellen Überlegungen, die Du als privater Bastler aber selbst machen darfst. (#): Es gibt schon noch andere Wahlmöglichkeiten, z.B. Materialien wie das amorphe Vitrovac oder das nanokristalline Vitroperm, beides von der Vacuumschmelze. Für vieles etwas besser, je nach Kombination aus Frequenz und DeltaB sogar viel, aber teurer. Und noch ein paar weitere, aber für bezahlbare Lösungen bleibt man bei Ferrit. Mehrpreis für ausgefallene Materialien investiert in größere Ferritkerne führt halt ebenfalls zu geringeren Verlusten, die Materialien haben aber eine unterschiedliche Kurvensteigung - man muß da exakt differenzieren. Ich ziehe mal die Grafik für die Verluste, und für interessierte Leser das ganze Dokument, in den Anhang.
Homo Habilis schrieb: > das nanokristalline Vitroperm ...ist allerdings nur für Gegentakt-Transformatoren gedacht - falls sich Deine Frage allein auf Drosseln oder Speicherspulen bezog, also ungeeignet.
Normalerweise werden Kernverluste und Kupferverluste gemeinsam optimiert. Wenn nur die Kernverluste betrachtet werden ist ein großes A und N günstig. Das ergibt dann einen größeren Luftspalt um das gewünschte L zu erhalten. Der Extremfall ist eine Luftspule ohne Kernverluste. https://de.wikipedia.org/wiki/Luftspule Dabei ist Wickellänge=Wickelbreite=Innenradius optimal, und mit der Größe sinken die Kupferverluste.
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