Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spulen: Verluste


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von PeterAufDemBerg (Gast)


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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!

von Alexander (Gast)


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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

von PeterAufDemBerg (Gast)


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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?

von Günter Lenz (Gast)


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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.

von Homo Habilis (Gast)


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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.

von PeterAufDemBerg (Gast)


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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.

von ArnoR (Gast)


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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.

von Al3ko -. (al3ko)


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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
von Klaus (Gast)


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Hallo,

eventuell hilft das: htttp://www.b-kainka.de/bastel95.htm

VG Klaus

von Teo D. (teoderix)


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von PeterAufDemBerg (Gast)


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Nochmal danke an alle Beteiligten!

Ich denke jetzt nötige Wissen zu haben für den nächsten Schritt. Jetzt 
kann richtig angefangen werden... :-)

von Homo Habilis (Gast)


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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.

von Homo Habilis (Gast)


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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.

von Jens (Gast)


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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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