BE1007053A3 - Gesinterde transformatorkern van nizn-ferrietmateriaal. - Google Patents

Abstract

De uitvinding beschrijft een transformatorkern van NiZn-ferrietmateriaal, die bij toepassing in een transformator lage totale verliezen vertoont. Deze lage verliezen worden verkregen indien het merendeel van de korrels van het gesinterde ferrietmateriaal en monodomein structuur heeft. Dit is het geval bij een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 2,8 micron. De gemiddelde korrelgrootte van het gesinterde materiaal bedraagt bij voorkeur 1,3 tot 2,6 micron.

Description

v ^ 'v ·»' I y ij I I

"Gesinterde transformatorkem van NiZn-ferrietmateriaal"

De uitvinding heeft betrekking op een gesinterde transformatorkem van NiZn-ferrietmateriaal. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inductor en een transformator, die voorzien zijn van zo’n transformatorkem. Met behulp van een transformator kan het voltage en/of de stroomsterkte van een stroombron worden omgezet tot een gewenste andere voltage en/of stroomsterkte.

Een transformatorkem van de in de aanhef genoemde soort is op zich bekend. Zo is uit het Philips Data Handbook MA-01, 1993 op pagina 131 en 132 een NiZn-kem bekend, die onder de naam 4F1 wordt verhandeld. De materiaalsamenstelling van de hier beschreven kern beantwoordt aan de formule Ni0.49Zn0.49Co0.02Fex.90O3.925.

Deze transformatorkemen is in het bijzonder bedoeld voor toepassing in een zogenaamde ’power-transformator’. Dit type transformator is geschikt om bij frequenties in het MHz-gebied en bij relatief hoge uitsturingen van 5 mT of meer te worden bedreven.

De bekende transformatorkem heeft als nadeel dat hij bij toepassing in een ’power-transformator’ relatief grote totale verliezen per volume-eenheid (P) vertoont. Deze verliezen leiden tot opwarming van de transformator. Met name bij toepassing in het frequentietraject van 2 MHz en hoger wordt deze opwarming relatief hoog. Zo wordt blijkens Figuur 7 op pagina 132 aan deze kernen bij 20°C een totaal verlies per volume-eenheid gemeten van 190 mW/cm3 gemeten bij een uitsturing van 10 mT en een frequentie van 3 MHz.

De uitvinding beoogt een transformatorkem te verschaffen, die relatief lage totale verliezen vertoont, met name bij toepassing in een power-transformator. De uitvinding beoogt eveneens een inductor alsmede een power-transformator, voorzien van een dergelijke transformatorkem.

Deze en andere doelstellingen worden volgens de uitvinding bereikt met een transformatorkem van het in de aanhef genoemde type, dat als kenmerk heeft, dat het merendeel van de korrels van het ferrietmateriaal een monodomein structuur heeft.

Gebleken is dat gesinterde kernen van NiZn-ferrietmateriaal waarvan de meeste korrels monodomein zijn verrassend lage totale verliezen vertonen. Zoals in de uitvoeringsvoorbeelden nader zal worden aangetoond kunnen de totale verliezen met de maatregel volgens de uitvinding met 50% of meer worden verminderd. Een preciese verklaring van deze sterke afname van de verliezen is nog niet voorhanden. Aanvraagster heeft echter experimenteel vastgesteld dat de lage verliezen onafhankelijk zijn van de magnetische permeabiliteit (μ) en - bij kleine korrelafmetingen - van de preciese korrelgrootte. Een essentiële voorwaarde voor het bereiken van het effect van de uitvinding blijkt te zijn dat het merendeel van de korrels van het gesinterde materiaal een monodomein structuur heeft. Onder de uitdrukking "het merendeel van de korrels" wordt verstaan dat tenminste 90% van de korrels van het ferrietmateriaal monodomein is.

Een voorkeursuitvoering van de uitvinding heeft als kenmerk, dat de gemiddelde korrelgrootte van het materiaal kleiner is dan 2.8 micron. Aanvraagster heeft in reeksen van experimenten vastgesteld dat bij een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 2.8 micron de hoeveelheid van monodomein korrels ongeveer 90% bedraagt. Bij een kleinere gemiddelde korrelgrootte neemt de hoeveelheid van monodomein korrels evenredig toe. Ongeveer 100% aan monodomein korrels worden bereikt beneden een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 2.6 micron. Door een nog niet begrepen verliesmechanisme nemen de totale verliezen echter weer toe indien de gemiddelde korrelgrootte kleiner wordt gekozen dan 1,1 micron. Dit ondanks het feit dat deze kleine korrels monodomein zijn. In het voorkeursgebied waar de gemiddelde korrelgrootte 1,3 tot 2,6 micron bedraagt zijn de totale verliezen nagenoeg constant en nagenoeg onafhankelijk van de korrelgrootte. De korrelgrootte van de gesinterde NiZn-kemen werd bepaald met de zogenaamde ’mean-intercept’ methode.

Opgemerkt wordt dat het merendeel van de korrels van het bekende 4F1 materiaal niet monodomein was. Er werd een gemiddelde korrelgrootte vastgesteld van ongeveer 3.1 micron.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de transformatorkem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het femetmateriaal van de kern 42,8 - 55.9 mol% Fe203, 17.6 - 45.7 mol% NiO en 8.4 - 34.3 mol% ZnO bevat. Transformatorkernen waarvan de samenstelling valt binnen deze grenzen vertonen een relatief hoge spontane inductie (BJ. Dit is gunstig bij deze kernen, omdat in zo’n geval de verliezen relatief klein zijn in vergelijk met kernen met een relatief lage verzadigingsmagnetisatie.

Opgemerkt wordt dat in het ferrietmateriaal bij voorkeur een relatief kleine hoeveelheid Co bevat. De aanwezigheid van deze toevoeging leidt tot een relatief vlakke μ-Ί curve, met name in het temperatuurgebied waarin power-transformatoren worden bedreven. Een hoeveelheid aan Co groter dan 1,5 at% is echter nadelig. De genoemde curve wordt hierdoor niet vlakker. Daarnaast is Co duur en giftig. Voorts kan het ferrietmateriaal volgens de uitvinding tevens kleine hoeveelheden aan dopes bevatten. Hierbij wordt met name gedoeld op sinterhulpmiddelen zoals V205 en Bi203. Daarnaast kunnen ook MnO, Si02 en CaO aanwezig zijn. De maximale hoeveelheid van elk van deze dopes bedraagt echter steeds minder dan 2 gew.%.

Een nog andere voorkeursuitvoering van de transformatorkem volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het femetmateriaal van de kern 42,8 - 50.0 mol% Fe^, 20.0 - 45.7 mol% NiO en 10.0 - 34.3 mol% ZnO bevat. In tegenstelling tot bij het bovengenoemde samenstellingsgebied hebben de hier beschreven NiZn-femeten allen een ondermaat aan Fe. Een ondermaat aan Fe is gunstig omdat hiermee de aanwezigheid van Féz+-ionen in het ferrietmateriaal wordt vermeden. De aanwezigheid van deze ionen leidt tot verhoogde wervelstroomverliezen.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inductor. De essentiële onderdelen van zo’n inductor bestaan uit een transformatorkem, welke voorzien is van een winding. Volgens de uitvinding wordt in de inductor een transformatorkem toegepast, zoals boven omschreven.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een transformator welke voorzien van een transformatorkem met daaraan verbonden een primaire en een secondaire winding, alsmede van een hoogfrequente schakelaar voor het omzetten van een gelijkspanning op de primaire winding tot een blokgolfspanning. Deze transformator is voorzien van een transformatorkem volgens de huidige uitvinding. Dit type transformator wordt doorgaans aangeduid als ’switched-mode power supply’. Dit type transformator wordt doorgaans bedreven bij hoge frequenties en hoge uitsturingen. De transfor-matorkemen volgens de uitvinding kunnen hierin derhalve met veel voordeel worden toegepast.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van de voorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 een perspectivisch aanzicht toont van een transformatorkem volgens de uitvinding

Figuur 2 een grafiek toont van de verliezen per volume-eenheid P (mW/-cm3) als functie van de korrelgrootte d (microns) van een aantal transformatorkemen.

Figuur 3 een schematisch diagram toont van een switch mode power supply (SMPS) volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont een ringvormige transformatorkem 1, met buitendiameter 2 van 5 mm en binnendiameter 3 van 3 mm. De breedte 4 en de hoogte 5 bedragen 1 mm. De kem kan ook een andere vorm hebben, zoals bijvoorbeeld een ovale vorm. De dwarsdoorsnede van de ring kan ook rechthoekig of rond zijn, in plaats van vierkant zoals getoond. De transformatorkem bestaat uit gesinterd NiZn-ferriet. De samenstelling van het gesinterde materiaal wordt gegeven door de formule Ni0.49Zn0 49Co0.02Fe1.90O3.92j. Het materiaal bestaat uit gesinterde korrels met een monodomein structuur, die een gemiddelde korrelgrootte van 2.2 micron bezitten.

De transformatorkemen volgens de uitvinding werden vervaardigd door uit te gaan van een poeder van NiZn-ferriet. Dit poeder werd via standaard keramische technieken vervaardigd. Hierbij werden oxides en/of carbonaten van de metalen in een verhouding die overeenkomt met de beoogde samenstelling gemengd, voorgestookt en nat gemalen. Het aldus verkregen mengsel werd of gedroogd en gegranuleerd of ge-droogsproeid en vervolgens gecompacteerd in de beoogde vorm en gesinterd in lucht. Door variatie van de sintertemperatuur (1000°C - 1300°C) en de sinterduur werden op deze wijze een aantal van de bovenbeschreven transformatorkemen vervaardigd met verschillende gemiddelde korrelgroottes. Het materiaal van de kem met gemiddelde korrelgrootte van 0,3 micron werd vervaardigd met behulp van heet isostatisch persen.

Figuur 2 toont een grafiek waarin de totale verliezen per volume-eenheid P van de transformatorkemen van de bovenvermelde samenstelling zijn weergegeven als functie van de gemiddelde korrelgrootte (’mean-intercept’ waarden). De meting werd uitgevoerd bij 20°C en bij 100°C, met een frequentie van 3 MHz en een uitsturing van 10 mT. Uit de figuur blijkt duidelijk dat de totale verliezen bij een korrelgrootte liggend tussen 1.1 en 2.8 micron kleiner zijn dan 100 mW/cm3. De kleinste totale verliezen worden echter gevonden bij een gemiddelde korrelgrootte liggend tussen 1,3 en 2,6 micron. Deze verliezen bedragen slechts ongeveer 80 mW/cm3. Met behulp van neutronen depolarisatie metingen aan deze kernen kon worden vastgesteld dat nagenoeg 100% van de korrels van de transformatorkemen met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 2,6 micron een monodomeinstructuur bezitten.

In tabel 1 zijn totale verliezen per volume-eenheid P (mW/cm3) weergegeven van een aantal transformatorkemen volgens de uitvinding (voorbeelden 1 t/m 5), in vergelijking met een aantal transformatorkemen niet volgens de uitvinding (tegenvoorbeelden a t/m d). Het materiaal met een gemiddelde korrelgrootte van 3,1 micron (tegenvoorbeeld d) is het bekende 4F1 materiaal. Van de kernen werden onder drie verschillende omstandigheden de totale verliezen per volume-eenheid P bepaald: PI (3 MHz en 10 ml), P2 (5 MHz en 7.5 mT) en P3 (10 MHz en 5 mT). Uit deze tabel blijkt duidelijk de superieure kwaliteit van de kernen volgens de uitvinding vergeleken met de bekende kernen.

Figuur 3 toont een schematisch diagram van een transformator van het type "switched mode power supply", waarin de transformatorkem volgens de uitvinding met veel voordeel kan worden toegepast. Hierbij wordt de ingangsnetspanning (50 Hz) eerst gelijkgericht met gelijkrichter (1) en afgevlakt met condensator (2). Het hierdoor gevormde gelijkspanningsvoltage wordt met behulp van een schakelaar (3) (schakeltran-sistor) met zeer hoge frequenties (2 - 20 MHz) omgezet tot een blokgolf B. Deze blokgolf wordt op de primaire winding (4) van de transformatorkem (5) gezet. Het getransformeerde blokgolfsignaal dat op de secundaire winding (6) van de transformatorkem (5) ontstaat wordt vervolgens met gelijkrichter (7) gelijkgericht en met condensator (8) afgevlakt. Hierdoor wordt een gelijkspanningsvoltage verkregen van de gewenste waarde. De kernen volgens de uitvinding kunnen vanzelf ook worden toegepast in andere typen transformatoren. Het effect van de uitvinding wordt echter met name verkregen wanneer deze kernen worden toegepast in transformatoren die met hoge frequenties (meer dan 2 MHz) en grote uitsturingen (meer dan 5 mT) worden bedreven.

Claims (7)

1. Gesinterde transformatorkem van NiZn-ferrietmateriaal, met het kenmerk, dat het merendeel van de korrels van het ferrietmateriaal een monodomein structuur heeft.

2. Transformatorkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gemiddelde korrelgrootte van het ferrietmateriaal 2.8 micron bedraagt of minder.

3. Transformatorkem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de gemiddelde korrelgrootte van het ferrietmateriaal inligt tussen 1,3 en 2.6 micron.

4. Transformatorkem volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het ferrietmateriaal van de kern 42,8 - 55.9 mol% Fe203, 17.6 - 45.7 mol% NiO en 8.4 - 34.3 mol% ZnO bevat.

5. Transformatorkem volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het ferrietmateriaal van de kern 42,8 - 50.0 mol% Fe203, 20.0 - 45.7 mol% NiO en 10.0 - 34.3 mol% ZnO bevat.

6 Inductor voorzien van een transformatorkem met daaraan verbonden een winding, met het kenmerk, dat een transformatorkem wordt toegepast volgens een der voorgaande conclusies.

7. Transformator voorzien van een transformatorkem met daaraan verbonden een primaire en een secondaire winding, alsmede van een hoogfrequente schakelaar voor het omzetten van een gelijkspanning op de primaire winding tot een blokgolf-spanning, met het kenmerk, dat een transformatorkem wordt toegepast volgens een der conclusies 1-5.