DE3415435A1 - Drosselspule und amorpher wickelkern - Google Patents
Drosselspule und amorpher wickelkernInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen amorphen Wickelkern und insbesondere einen mit Harzen imprägnierten amorphen Wickelkern
zur Verwendung in einer Drosselspule.
Aufgrund der jüngsten Entwicklung elektronischer Geräte nahm die Verbreitung schaltender Leistungsversorgungseinrichtungen
ständig zu. Als Folge davon fanden in weiten Bereichen Ausgangs-Glättungsdrosseln
und Rauschfilter Verwendung.
Gewöhnlich für schaltende Leistungsversorgungseinrichtungen verwendete
Drosseln haben eine Induktivität, die von einem niedrigen bis zu einem hohen Strom im wesentlichen konstant ist. Sie zeigen
damit nachteilig einen Ausgangs-Spannungsanstieg bei einem niedrigen Strom bei praktisch keiner Belastung. Um diesen Nachteil
zu überwinden, wird im allgemeinen eine geeignete Last mit der Drosselspule verbunden, um dieser ständig einen bestimmten Strompegel
zuzuführen.
Es wurde vorgeschlagen, bei einem magnetischen Kern mit einem Spalt in der Nähe dieses Spaltes ein Element mit einer hohen
Permeabilität vorzusehen, so daß eine diesen Magnetkern aufweisende Drosselspule eine L-förmige, bei einem niedrigen Strom erhöhte
Induktivitäts-Kennlinie zeigt. Ein derartiger Magnetkern weist jedoch im Bereich zwischen einem bestimmten Strompegel und
dem Sättigungsstrompegel des Magnetkerns eine im wesentlichen konstante und niedrige Permeabilität auf. Zusätzlich beginnt die
Permeabilität eines derartigen Magnetkerns bei einem niedrigen Strompegel abzunehmen.
Ein magnetischer Kern zur Anwendung in einer Drosselspule sollte eine Permeabilität aufweisen, die langsam abnimmt, wenn der an
die Spule angelegte Strom ansteigt, da eine derartige Permeabilitäts-Charakteristik
es praktisch unnötig macht, der Drosselspule ständig Strom zuzuführen. Der oben genannte Magnetkern
nach dem Stand der Technik, dessen Permeabilität rasch abfällt, wenn der Strom einen bestimmten Pegel übersteigt, zeigt
damit nicht das für die Verwendung in Drosselspulen gewünschte Verhalten.
In letzter Zeit wurde die Verwendung von amorphen Magnetkernen für Drosseln vorgeschlagen. Die offengelegten japanischen
Patentanmeldungen Nr. 57-82454 und 57-83005 zeigen Wickelkerne aus einer amorphen Fe-Ni-Si-B-Legierung bzw. einer amorphen
Fe-Co-Si-B-Legierung. Diese amorphen Wickelkerne weisen jedoch Permeabilxtäten auf, die bei Ansteigen eines magnetischen Feldes
rasch abfallen. Dieses Verhalten ist bei Verwendung in Drosselspulen für Rauschfilter und Ausgangs-Glättungselemente
nicht geeignet. Um diese Tendenz zu überwinden, wird der Drosselkern mit einem Spalt versehen. Das führt jedoch zu einer
Erniedrigung der Permeabilität des Kerns bei einem niedrigen Strom.
Die generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, einen amorphen Wickelkern und eine damit versehene
Drosselspule anzugeben, durch die die dem Stand der Technik anhaftendenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen amorphen Wickelkern zur Anwendung in einer Drosselspule
anzugeben, der bei einem niedrigen Strom eine hohe Permeabilität aufweist, die bei Ansteigen des Stroms langsam abfällt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drosselspule mit einer Induktivität anzugeben, die bei einem
niedrigen Strompegel hoch ist und die bei Ansteigen des Stroms
langsam abfällt.
Erfindungsgemäß ist ein Wickelkern zur Anwendung in einer Drosselspule
aus amorphen Legierungen mit positiver Magnetostriktion hergestellt und mit einem Harz imprägniert. Dieser amorphe Wikkelkern
zeigt bei einem Ansteigen des zugeführten Stroms nicht die rasch abfallende Permeabilitäts-Kennlinie.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1(a) eine perspektivische Ansicht eines mit einem Harz
imprägnierten amorphen Wickelkerns nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1(b) eine perspektivische Ansicht eines mit einem Harz
imprägnierten amorphen Wickelkerns mit Spalt nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er
findung;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Induktivität von Drosselspulen mit amorphen
Wickelkernen von unterschiedlicher Magnetostriktion und dem den Drosselspulen zugeführten Strom;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Induktivität von Drosselspulen mit unterschiedlichen
amorphen Wickelkernen und dem zugeführten Strom; und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen
der Induktivität von Drosselspulen mit unterschiedlichen amorphen Wickelkernen und dem zugeführten
Strom.
Ein in Fig. 1(a) gezeigter amorpher Wickelkern 1 ist aus einem
Band 2 aus einer amorphen Legierung aufgebaut.
In der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige amorphe Legierung mit positiver Magnetostriktion verwendet werden.
Es ist bekannt, daß amorphe Legierungen aus (Fe.Co)- (Si.B)
und (Fe.Co.Ni) - (Si.B), die einen hohen Prozentsatz von Fe
enthalten, im allgemeinen eine hohe positive Magnetostriktion aufweisen. Spezielle Beispiele hierfür sind (FencCo,-) _,0Si0B.
(Xs: 44 χ 10 ö) und (FeQ^9Co0^1)33Si3B14 (As: 44 χ 10 6). Es
ist weiterhin bekannt, daß bei amorphen Legierungen aus Fe - B und aus (Fe . Co) - (Si . B), die mehr als 95 % Fe enthalten,
die Magnetostriktion durch eine Wärmebehandlung verändert werden kann (vgl. N. Tsuya et al., IEEE Trans. Mag., MAG-14
(1978), 946). Die Magnetostriktion der amorphen Fe-B-Legierungen steigt beispielsweise aufgrund einer 3-stündigen
Wärmebehandlung bei 3000C drastisch an. Die in der vorliegenden
Erfindung Verwendung findenden amorphen Legierungen
sollten eine Magnetostriktion von zumindest +5 χ 10 , vorzugsweise von zumindest + 10 χ 10 und optimal über + 15 χ
aufweisen.
Man fand heraus, daß ein aus amorphen Legierungen hergestellter Wickelkern mit positiver Magnetostriktion, wenn er mit
einem Harz imprägniert ist, eine Permeabilität zeigt, die auf einem niedrigen Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des
Stroms langsam abfällt. Damit hat eine Drosselspule mit einem derartigen amorphen Wickelkern eine Induktivität, die beim
Anstieg eines Stroms nicht steil abfällt. Eine derartige Induktivitäts-Charakteristik
ist für die Ausgangsglättung einer schaltenden Leistungsversorgungseinheit geeignet. Diese Erkenntnis
bildet die Grundlage der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß kann ein beliebiges Harz Anwendung finden, das bei Verfestigung eine Druckkraft auf den Wickelkern ausübt.
Vorzugsweise werden hierbei aushärtbare Harze verwendet. Dazu sind Phenolharze, Furanharze, Epoxidharze, ungesättigte
Polyesterharze, Melaminharze, Karbamidharze usw. zu zählen.
Aufgrund ihrer hohen Klebkraft erweisen sich dabei Epoxidharze als besonders günstig. Die aushärtbaren Harze können
insbesondere auch Aushärtmittel enthalten.
Bei Verwendung eines flüssigen Epoxidharzes mit einem Aushärtmittel
wird der Wickelkern zuerst in die Harzflüssigkeit eingetaucht, anschließend in eine Vakuumkammer gestellt, um die
Harzflüssigkeit in den innersten Teil des Kerns unter Abziehen der Luftblasen eindringen zu lassen, und danach auf Temperaturen
von etwa 85°C bis 1000C erwärmt, um das Epoxidharz auszuhärten.
Die Verfestigung des Wickelkerns 1 mit Harzen läßt sich auch erreichen, indem die Oberfläche eines amorphen Bandes 2 mit
Harz beschichtet, das Band 2 zur Bildung eines Kerns gewickelt und der Wickelkern 1 anschließend erwärmt wird. Die Harzimprägnierung
des Wickelkerns 1 kann auch über die Durchführung eines Imprägnierprozesses erfolgen, bei dem auf den Wickelkern
1 Druck ausgeübt wird. Hierbei kann ein beliebiges Harz Anwendung finden, das in der Lage ist, den Wickelkern nach
Abschluß des Imprägnierprozesses in einem zusammengepreßten Zustand zu halten.
Der amorphe Wickelkern 1 kann vor der Harzxmpragnxerung einer
Wärmebehandlung unterzogen werden, um seine magnetischen Charakter istika zu steigern. Die Wärmebehandlung erfolgt durch
Ausheilen des Wickelkerns 1 auf Temperaturen von etwa 2500C
bis etwa 4500C und durch sein Abkühlen mit einer Rate von
unter etwa 3000C pro Stunde. Falls notwendig, kann bei der
Wärmebehandlung ein magnetisches Feld angelegt werden.
Fig. 1(b) zeigt eine andere Ausführungsform des amorphen Wickelkerns
1, nach der ein Spalt 3 vorgesehen ist. Der Spalt 3 verläuft über einen Teil der Breite des Bandes 2, um zu
verhindern, daß die Permeabilität des Kerns auf einem hohen
Strompegel steil abfällt. Es ist jedoch nicht vorteilhaft,
daß der Spalt 3 über die gesamte Höhe des Kerns 1 verläuft, da ein derartiger Spalt die Permeabilität des Kerns auf einem
niedrigen Strompegel verringert. Solange der Spalt 3 über einen Teil der Breite des Bandes 2 verläuft, kann er eine
beliebige Form und Abmessung aufweisen, d.h. er kann eine einheitliche Breite haben oder sich verjüngen.
Der Spalt 3 wird mit einem Schleifwerkzeug eingeschnitten. Die Breite des sich ergebenden Spaltes ist hierbei nicht notwendigerweise
gleich der Dicke des verwendeten Schleifwerkzeugs, sondern sie hat die Tendenz, kleiner zu sein als diese,
da nach dem Schneiden eine geringfügige Deformation des Wickelkerns auftritt. Die Spaltbreite kann auch in Abhängigkeit von
der Schneidegeschwindigkeit variieren. Ebenfalls kann sich die radiale Dicke des Wickelkerns 1 in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit des Schneidevorgangs verändern, bei dem der Kern mit einem Spalt versehen wird.
Der Spalt 3 kann mit einer nicht-magnetischen Zwischenlage gefüllt werden, um seine Maßhaltigkeit sicherzustellen. Die
nicht-magnetische Zwischenlage kann aus Kunststoff, Aluminium usw. bestehen.
Weiterhin kann der amorphe Wickelkern 1 mit nicht-leitfähigen
Harzen beschichtet werden. Die Oberflächenbeschichtung des Kerns sollte so dick sein, daß die Isolation des Kerns von
auf ihn aufgewickelten Drähten sichergestellt ist. Unter Berücksichtigung eines Füllfaktors sollte die Dicke der Oberflächenbeschichtung
jedoch einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Die isolierende Harzbeschichtung ist deshalb im
allgemeinen etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm dick.
Nach diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Herstellung
des amorphen Wickelkerns 1 in folgenden Schritten:
(a) Das Band 2 aus einer amorphen Legierung wird toroidförmig
aufgewickelt;
(b) der sich ergebende toroidförmige Wickelkern wird einer geeigneten
Wärmebehandlung unterzogen;
(c) der Wickelkern wird mit Harzen imprägniert;
(d) der Wickelkern wird, falls notwendig, mit dem Spalt 3 versehen;
(e) im Spalt 3 wird eine nicht-magnetische Zwischenlage angeordnet;
und
(f) die Kernoberfläche wird mit isolierenden Harzen beschichtet.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden, konkreten Beispiele nochmals verdeutlicht.
Beispiel 1
Zur Bildung eines dünnen amorphen Bandes mit etwa 20 μπι Dicke und etwa 20 mm Breite wird die Schmelze einer Fecn CNi0Si1-, cB Legierung durch eine dünne Düse auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Kupferrolle ausgestoßen. Das amorphe Band wird aufgewickelt, um einen toroidförmigen Kern mit 25 mm Außendurchmesser, 10 mm Innendurchmesser und 20 mm Höhe zu bil den. Der sich ergebende Wickelkern wird für 20 Minuten auf 4300C einer Wärmebehandlung unterzogen und danach in Luft abgekühlt. Anschließend wird der Wickelkern in eine Flüssigkeit mit EPIKOTE 828 (Epoxidharz), ACMEX H-89 (Härter) in
Zur Bildung eines dünnen amorphen Bandes mit etwa 20 μπι Dicke und etwa 20 mm Breite wird die Schmelze einer Fecn CNi0Si1-, cB Legierung durch eine dünne Düse auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Kupferrolle ausgestoßen. Das amorphe Band wird aufgewickelt, um einen toroidförmigen Kern mit 25 mm Außendurchmesser, 10 mm Innendurchmesser und 20 mm Höhe zu bil den. Der sich ergebende Wickelkern wird für 20 Minuten auf 4300C einer Wärmebehandlung unterzogen und danach in Luft abgekühlt. Anschließend wird der Wickelkern in eine Flüssigkeit mit EPIKOTE 828 (Epoxidharz), ACMEX H-89 (Härter) in
2,5 einem Gewichtsverhältnis von 100:15 und mit einem kleinen Anteil
von Silikonöl (Blasenbildung verhinderndes Mittel) eingetaucht, zum Entfernen von Luftblasen für 30 Minuten in eine
Vakuumkammer gestellt und danach für zwei Stunden auf 850C
ausgehärtet.
Weiterhin wurden auch Bänder aus einer amorphen
(Co0,918 Fe0,005 m0,077)78Si12,7B9Nb0,3-Legierung Und aUS
einer amorphen Co77Si1.B_-Legierung hergestellt, um über den
oben dargestellten Prozeß Wickelkerne mit denselben Abmessun-
■./■Τ - . 3415A35
- ίο -
gen herzustellen. Die Magnetostriktion Xs dieser Legierungen ist
im folgenden dargestellt:
Material As (x10~6)
Fe69,5Ni8Si13,5B9 + 20
«* 0 - 3
Jeder dieser drei Wickelkerne wird mit 40 Windungen eines leitenden Drahtes umwickelt, um eine Drosselspule herzustellen.
Die Induktivität jeder Drosselspule wurde bei einer Frequenz von 1 KHz in dem I -Bereich von 0 bis 100 A gemessen.
Uv»*·
Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Hierbei entsprechen
Kurve A Fe59^NIgSi13^59
KurVe B (C00, 918^0,005^0,0??^51^,?1^,
Kurve C Co77Si14Bg
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die Drosselspule mit dem der Kurve A entsprechenden Wickelkern.(Xs
> 0) eine Induktivität aufweist, die bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt,
während die Drosselspulen mit den Wickelkernen, deren Magnetostriktion annähernd Null oder negativ ist, eine Induktivität
aufweisen, die bei einem niedrigen Strom hoch ist, bei Ansteigen des Stroms jedoch steil abfällt (Kurven B, C).
Für die Drosselspule mit dem aus der amorphen Fe69 5Ni3Si13 5B9-Legierung
(Xs > 0) hergestellten Wickelkern wurden die Wirkungen der Harzimprägnierung auf die Induktivität der Drosselspule
ausgewertet.
In den (in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellten) harz-imprägnierten Wickelkern wurde mit einem Schleifwerkzeug
ein Spalt 3 mit 0,7 mm Breite und 10 mm Länge eingeschnitten. Mit diesem Wickelkern wurde wie in Beispiel 1 eine
Drosselspule hergestellt und deren Induktivität gemessen. Daneben wurden zwei weitere Typen von Drosselspulen hergestellt:
Eine, die weder mit einem Harz imprägniert war noch einen Spalt aufwies, und eine andere, die nicht imprägniert
war, jedoch einen partiellen Spalt mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1 aufwies. Die Ergebnisse sind mit folgenden
Zuordnungen in Fig. 3 dargestellt:
Kurve A imprägniert kein Spalt
Kurve D imprägniert Spalt
Kurve E nicht imprägniert kein Spalt
Kurve F nicht imprägniert Spalt
Wie aus den Kurven A und D ersichtlich, zeigt die Drosselspule mit dem amorphen Wickelkern mit positiver Magnetostriktion die
gewünschte Induktivität, die auf einem niedrigen Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt, und
zwar unabhängig davon, ob ein Spalt vorgesehen ist oder nicht, solange der Wickelkern mit einem Harz imprägniert ist. Ist
andererseits der Wickelkern nicht mit einem Harz imprägniert, fällt die Induktivität der Drosselspule beim Ansteigen des
Stroms unabhängig davon, ob ein Spalt vorgesehen ist oder nicht, steil ab. Dieses Beispiel bestätigt, daß die Harzimprägnierung
unabdingbar ist, um eine Drosselspule mit der gewünschten Induktivitätscharakteristik zu erhalten.
Ein Wickelkern mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1,
der aus einem Band aus einer amorphen Fegg JNigSi „ 5Bq~
Legierung hergestellt ist, wurde mit EPIKOTE (Epoxidharz) beschichtet, ohne ihn irgendeiner Harzimprägnierung zu unterziehen.
Die Oberflächenbeschichtung erfolgte durch Erhitzen
des Wickelkerns auf 1500C, Plazieren des Kerns in einer
fluidisierten Schicht aus Epoxidharzpulver, und Aushärten des Beschichtungsharzes für zwei Stunden auf 1600C. Die Beschichtungsdicke
betrug 0,5 mm. Der sich ergebende harz-beschichtete Wickelkern wurde, wie in Beispiel 1, mit einem
leitenden Draht umwickelt (40 Wicklungen) und bezüglich der Induktivität vermessen. Die Ergebnisse sind als Kurve G in
Fig. 4 dargestellt. Der Vergleich der Kurve G mit der ebenfalls in Fig. 4 gezeigten Kurve A macht deutlich, daß die
Oberflächenbeschichtung eines Wickelkerns mit positiver Magnetostriktion keine Drosselspule liefert, die die gewünschte
Induktivitätscharakteristik aufweist.
Die Drosselspule mit der oben genannten Induktivitätscharakteristik
nach vorliegender Erfindung führt zu einer geringen Veränderung einer Ausgangsspannung aufgrund eines
Laststroms, so daß sie in hohem Maße für die Ausgangsglättung einer schaltenden Leistungsversorgungseinrichtung geeignet
ist.
Die vorliegende Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, sie läßt sich
jedoch vielfältig modifizieren und abändern, ohne vom wesentlichen Erfindungsgedanken abzuweichen.
Ah/bi
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- Leerseite -
Claims (5)
- -■:.'■- : - j 4 I -j 4 o bSTREHL SCiIUBEL-HOPF SCHULZWII)KNMAYiCKvSTKASSK 17, I) 8000 MÜNCHKN 22HITACHI METALS, LTD.
DEA-2661425. April 1984Drosselspule und amorpher WickelkernAmorpher Wickelkern,
dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer amorphen Legierung mit positiver Magnetostriktion hergestellt und mit einem Harz imprägniert ist, wobei der Wickelkern (1) eine Permeabilität aufweist, die bei einem niedrigen Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt. - 2. Amorpher Wickelkern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durcheinen Spalt (3), der in axialer Richtung über einen Teil der Höhe des Wickelkerns (1) verläuft.
- 3. Amorpher Wickelkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Epoxidharz ist.
- 4. Amorpher Wickelkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Legierung eine Magnetostriktion von zumindest +5 χ 10 aufweist.
- 5. Drosselspule,gekennzeichnet durch einen amorphen Wickelkern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Drosselspule eine Induktivität aufweist, die bei einem niedrigen Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt.
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