Forschungsprojekt ALBACH
Wissenschaftlich fundierte Hochfrequenzlitzen-Optimierung
Die Entwicklung der optimalen Hochfrequenzlitze für passive Bauelemente in der Leistungselektronik stellt Elektroingenieure oft vor komplexe Herausforderungen. Ein wegweisendes Forschungsprojekt der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Zusammenarbeit mit unserem Unternehmen zeigt exemplarisch, wie durch systematische Analyse und Optimierung erhebliche Verbesserungen bei Wicklungsverlusten erreicht werden können.
Was wurde erforscht?
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderte Projekt untersuchte von 2008 bis 2011 umfassend das Verlustverhalten verschiedener Litzentypen und entwickelte konkrete Optimierungsansätze für die Praxis. In modernen Schaltreglern, von PC-Netzteilen bis hin zu Solarwechselrichtern, fallen etwa ein Drittel aller Verluste in den induktiven Bauelementen an. Diese Verluste entstehen hauptsächlich durch zwei physikalische Effekte: den Skineffekt, bei dem sich der Strom bei hohen Frequenzen an der Oberfläche der Leiter konzentriert, und den Proximityeffekt, der durch magnetische Wechselfelder benachbarter Leiter verursacht wird.
Die Herausforderung
Die praktische Herausforderung für Entwickler besteht darin, dass handelsübliche Litzen oft nicht optimal dimensioniert sind, da das theoretische Verständnis für die komplexen Wechselwirkungen zwischen Litzenparametern und Verlustverhalten fehlt. Genau hier setzt unser wissenschaftlich fundierter Entwicklungsansatz an, der aus diesem Forschungsprojekt hervorgegangen ist.
Darstellung einer Forschungssoftware mit Messdatenbank für Litzen, inklusive grafischer Auswertung von Skin- und Proximity-Effekt sowie technischen Produktparametern.
Unsere Lösungsstrategie
Das Forschungsteam entwickelte eine umfassende Messtechnik zur Charakterisierung verschiedener Litzentypen unter realistischen Anwendungsbedingungen. Dabei wurden sowohl Standardlitzen mit annähernd gleichem Außendurchmesser verglichen als auch der Einfluss spezifischer Parameter wie Schlaglänge, Schlagrichtung, Verseilart und Umspinnung systematisch untersucht.
Ein besonders wichtiger Erkenntnisgewinn war die Entwicklung einer Litzendatenbank, die erstmals eine fundierte Basis für die Auswahl optimaler Litzentypen für spezifische Anwendungen schafft. Diese wissenschaftliche Herangehensweise ermöglicht es uns heute, für jeden Anwendungsfall die verlustoptimale Litzenkonfiguration zu bestimmen.
Ergebnis
Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass durch gezielte Variation der Litzenparameter erhebliche Verbesserungen des Verlustverhaltens erreicht werden können. Besonders signifikant waren die Ergebnisse bei der Optimierung von Schlaglänge und Verseilart, Drahtdurchmesser und Adernzahl sowie Umspinnung und Profilierung.
Die Praxiserprobung in realen Transformatoren und Drosseln durch die Firma STS zeigte konsistent bessere Wirkungsgrade bei den optimierten Litzentypen. Die Projektauswertung verdeutlicht das enorme Einsparpotential: Allein in Deutschland könnten durch bessere Spulen und Transformatoren mehr als 50 Gigawattstunden pro Jahr eingespart werden.
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