1-2014

Aus Forschung und Technik
Bild 2: Zweistufig verseiltes Litzekabel 49 x 0,2:
Stromdichteverteilung über dem Querschnitt bei 100 kHz
zen bei unterschiedlichen Frequenzen
untersucht. Dabei wurden
konstruktive Parameter wie
Adern-Durchmesser und Adern-
Zahl, Schlaglänge, Verseilart,
Verseilrichtung, Profil und
Umspinnung der Litzen systematisch
variiert. So entstand
eine umfangreiche Datenbank.
Aus diesen Daten lässt sich auf
die Konstruktion der optimalen
Litze für unterschiedliche Einsatzzwecke
zurückschließen.
Bild 2 zeigt exemplarisch die
simulierte Stromdichteverteilung
in einem zweistufig verseilten
Litzenkabel. Die mit x gekennzeichneten
Adern vertauschen
durch das Verdrillen immer wieder
ihren Platz und führen daher
auch alle den gleichen Strom.
Die übrigen Adern bleiben
immer an der gleichen Position.
Man erkennt, dass im inneren
Bündel die Stromdichte stellenweise
dem Erregerstrom sogar
entgegengerichtet ist.
Den resultierenden gemessenen
Verlustwiderstand R gibt Kurve
in Bild 3 wieder. Er liegt für alle
Frequenzbereiche zwischen den
Extremfällen einer idealen Litze
R L und einer parallelen Drahtanordnung
R D . Die Auswertung
der Messergebnisse an zahlreichen
Litzen zeigte, dass ein
einziger Qualitätsparameter λ Skin
ausreicht, um die Skin-Verluste
für eine beliebige Frequenz zu
berechnen.
Wicklungsverluste würden sich
dadurch stark verringern.
Wicklungsverluste
vermindern
Der Entwurf von Spulen und
Transformatoren für Schaltnetzteile
kleiner Leistung erfolgt
vielfach nach dem Prinzip „Versuch
und Irrtum“. Dabei sind
eine Vielzahl unterschiedlicher,
zum Teil widersprüchlicher
Anforderungen zu erfüllen: Die
Bauteile sollen kostengünstig,
mechanisch stabil, unempfindlich
gegen Umwelteinflüsse und
in der Regel auch kompakt sein.
Verluste spielen nicht nur aus
Effizienzgründen eine wichtige
Rolle. Sie beeinflussen auch die
thermischen und die elektrischen
Eigenschaften. Abwärme limitiert
das Design, da sie sicher
Bild 3: Verlustwiderstand R im Vergleich zu idealer Litze R L und
parallelgeschaltete Adern R D .
abgeführt werden muss und
durch die Maximaltemperatur
des Bauelements begrenzt ist.
In den engliegenden Wicklungen
von Spulen und Transformatoren
beeinflussen sich benachbart liegende
Litzen gegenseitig. Dieser
äußere Proximity-Verlust dominiert
gegenüber dem inneren und
auch gegenüber dem Skin-Effekt
und den Gleichstromverlusten.
Um das Verhalten solcher induktiver
Bauelemente, abhängig
vom inneren Aufbau der verwendeten
Litzen, besser zu verstehen,
führten die Wissenschaftler
umfangreiche Messungen durch.
Dabei kooperierten sie mit einem
Hersteller, der Spezial-Transformatoren
Stockach GmbH &
Co. KG (STS). Als Testobjekt
dienten Transformatoren mit
Eisenkern ohne Luftspalt sowie
Drosseln mit Luftspalt. Während
bei den Transformatoren
überwiegend der Lagenaufbau
der Wicklungen die Stärke des
Proximity-Effektes bestimmt,
ist bei Drosseln in erster Linie
das stark inhomogene Streufeld
im Luftspaltbereich maßgeblich.
Messtechnik
Der frequenzabhängige Widerstand
der Litzen kann recht einfach
gemessen werden, indem
ein hinreichend langer Abschnitt
an die Eingangsbuchsen eines
Impedanzanalysators angeschlossen
wird. Dabei gilt es,
Messfehler durch Proximity-
Verluste zu minimieren. Diese
entstehen in Metallen nahe dem
Litzen optimieren
Neben der systematischen
Datensammlung war auch die
Materialoptimierung ein Ziel
der Forscher. Der Pack GmbH
gelang es beispielsweise, Flechtlitzen
aus Adern mit einem
Durchmesser von 0,15 mm zu
fertigen. Die obere Frequenzgrenze
für den Einsatz von
Flechtlitze lässt sich damit verdoppeln.
Schläuche aus Flechtlitzen
mit kleinem Adern-Durchmesser
können als wassergekühlte
Wicklungen von Spulen
und Trafos die bisherigen massiven
Kupferrohre ersetzen. Die Bild 4: Messaufbau a) Skin-Effekt, b) Proximity-Verluste.
8 hf-praxis 1/2014