DE10308873B3

DE10308873B3 - Verfahren zur Überprüfung der Sättigungsflußdichte, Verfahren zur Bestimmung der Sättigungsflußdichte und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10308873B3
Application number: DE2003108873
Authority: DE
Inventors: Mauricio Esguerra
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: WO2004077084A1; TW200428013A

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem aus dem Abfall der Induktivität bei Anlegen einer Gleichstromvormagnetisierung die Sättigungsflußdichte in sicherer Weise bestimmt werden kann. Das Verfahren ist unabhängig von der vorgegebenen Kernform und dem vorgegebenen Luftspalt, welcher den Ausgangswert der Induktivität bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Sättigungsflußdichte sowie ein Verfahren zur Bestimmung der realen Sättigungsflußdichte eines weichmagnetischen Materials, insbesondere eines Ferrits. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung für das Verfahren zur Bestimmung der Sättigungsflußdichte eines weichmagnetischen Materials.
Ferritkerne mit Luftspalt werden unter anderem bei Applikationen mit Gleichstrom-Vormagnetisierung, insbesondere als Leitungsdrosseln oder DSL-Splitter eingesetzt. Bei der Entwicklung solcher Kerne und der dazugehörigen weichmagnetischen Materialien ist es ein Designziel, Kerne mit möglichst konstantem Induktivitätsfaktor A_L bei unterschiedlichen Vormagnetisierungen zu erhalten und insbesondere Materialien zu entwickeln, die den Induktivitätsfaktor bei möglichst hohen Strömen bzw. bei möglichst hoher Vormagnetisierung aufrecht erhalten können. Bezüglich der Materialentwicklung wird dieses Ziel durch einen möglichst hohen Wert der Sättigungsflußdichte eines weichmagnetischen Materials im Anwendungstemperaturbereich erzielt. Auch technologische Maßnahmen zur Gefügegestaltung, welche die Anfangspermeabilität und die Form der Hystereseschleife beeinflussen, sind für diese Optimierung geeignet.
Ebenso entscheidend ist die Wahl der Kernform, wobei eine möglichst homogene Querschnittsverteilung angestrebt wird. Ein Kern mit ungleichmäßigem Querschnitt erreicht in dem Teilbereich, in dem der Kern einen minimalen Querschnitt A_min aufweist, als erstes die Sättigung. Bei weiterer Steigerung der Vormagnetisierung bzw. beim Erreichen der Sättigung in dem genannten Teilbereich wirkt dieser wie ein Luftspalt mit der Folge, daß die gesamte Induktivität einer diesen Kern enthaltenden Spule sinkt. Dies widerspricht dem oben genannten Optimierungsziel und ist für die Kernentwicklung nachteilig.

Aus der Druckschrift DE 19843868 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung dynamischer Kennwerte magnetisierbarer Werkstoffe bekannt, bei der ein Sensor zur Bestimmung der Magnetfeldstärke H bzw. des magnetischen Flusses B vorgesehen ist. Die Sättigungsflußdichte kann aus dem Verlauf der entsprechenden Hysteresenkurve B(H) bestimmt werden. Auch aus den Druckschriften US 5574363 A und DE 3205253 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Sättigungsflußdichte bzw. zum Prüfen magnetischer Eigenschaften eines weichmagnetischen Materials bekannt, die allerdings nicht zu Messungen an Kernen mit Luftspalt geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überprüfung der Sättigungsflußdichte und ein Verfahren zur Bestimmung der realen Sättigungsflußdichte anzugeben, welches einfach und exakt für unterschiedliche Kernformen, insbesondere für Kerne mit Luftspalt aus einem weichmagnetischen Material durchführbar ist. Außerdem sollen ensprechende Verwendungen der Verfahren angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 4 sowie hinsichtlich der Verwendung der Verfahren mit den Mermalen der Anspüche 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Bei der Entwicklung neuer Materialien und neuer Kernformen ist es notwendig, sowohl beim erstmaligen Bestimmen als auch zur Qualitätssicherung die Gleichstrom-Vormagnetisierbarkeit und insbesondere die erreichbare Sättigungsflußdichte B_S zu bestimmen. Zu deren Ermittlung wird in einem bekannten Ver fahren der Abfall der Permeabilität des zu untersuchenden Kerns bzw. der Abfall der Induktivität L(I_dc) einer diesen Kern enthaltenden Spule in Abhängigkeit von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms bestimmt. Dabei wird bei der Kernherstellung zunächst ein vorgegebener, auch als Induktivitäts faktor A_L = L/N² bezeichneter Sollwert des Induktivitätsfaktors (A_L-Wert) eingestellt, insbesondere durch Ein- oder Ausschleifen eines Luftspalts im Kern. An eine an dem Kern anliegende Wicklung wird mit einem Gleichstrom ein Magnetfeld eingespeist und der Abfall der realen Induktivität der Spule in Abhängigkeit von dem eingespeisten Gleichstrom gemessen. Als Spezifikationswert für den zu untersuchenden Kern wird die Stromstärke bzw. das magnetische Feld ermittelt, bei dem die reale Induktivität der Spule einen vorgegebenen Abfall, typischerweise um 10 % oder 20 % vom Nominalwert L(0) einer Anfangsinduktivität erreicht hat.

Wie reale Messungen bei unterschiedlichen Kernen zeigen, ist der so bestimmte Spezifikationswert stark von der genauen Einstellung der vorgegebenen Kernform, d. h. des anfänglichen A_L-Werts A_L(0) abhängig. Beispielsweise wird bei einem bezüglich des A_L-Nominalwerts wegen Toleranzfehler höheren realen A_L-Wert ein – in Bezug auf den Wert der Stromstärke, der bei der realen Kernform der tatsächlichen Sättigungsflußdichte des Kernmaterials entspräche – zu niedriger Spezifikationswert ermittelt und daher der Wert für die Sättigungsflußdichte des Kernmaterials zu niedrig geschätzt. Die mangelnde Genauigkeit bei der tatsächlichen Kernform bzw. bei der Einstellgröße A_L-Wert führt daher zu einem Spezifikationswert, der niedriger liegt als der eigentliche materialimmanente Wert. Damit kann aber auch dieser Wert nicht mehr die volle Performance des Materials, insbesondere die maximale Sättigungsflußdichte widerspiegeln. Da aber gleichzeitig die erzielte Steigerung bei der Entwicklung neuer weichmagnetischer Materialien sich in den letzten Jahren im Bereich von maximal 10 % bewegt hat, führt die dargelegte Ungenauigkeit bei der Angabe des Spezifikationswertes zu einer nominal nur geringfügigen Verbesserung der Produkteigenschaften, zumindest aber bezüglich der angegebenen Spezifikation.

Neben dieser indirekten Bestimmung der Sättigungsflußdichte B_S ist auch eine direkte Messung der Sättigung möglich, al lerdings nur mit Hilfe eines aufwendigen Spezialmeßplatzes (BH-Meter). Nachteilig an dieser direkten Messung ist weiterhin, daß die Messung aus meßtechnischen Gründen aufgrund der Wechselstrombegrenzung in der Regel nur für geschlossene Kernformen, insbesondere für Ringkerne durchgeführt werden kann. Eine direkte Messung der Sättigungsflußdichte an Kernen mit beliebiger Form und insbesondere an Kernen mit Luftspalt ist nicht möglich. Die indirekte Messung ist aber, wie bereits erläutert, mit der genannten großen Ungenauigkeit behaftet.

Mit der Erfindung wird eine Möglichkeit angegeben, eine in herkömmlicher Weise mit Standardvorrichtungen und Standardverfahren bestimmtes Induktivitätsverhalten einer Testspule mit einem zu untersuchenden Kern über einer Gleichstromvormagnetisierung des Kerns zu bestimmen und daraus in erfindungsgemäßer Weise die Sättigungsflußdichte zu ermitteln. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der Einstellung eines A_L-Wertes bzw. von den Toleranzfehlern bezüglich der Kerngeometrie, und liefert einen weitgehend richtigen, materialimmanenten Wert für die Sättigungsflußdichte des Kernmaterials weitgehend unabhängig von der realen Kernform.

Es wird erstmals die Möglichkeit angegeben, aus dem – durch die Messung der realen Induktivität L'(I_dc) einer Testspule in Abhängigkeit von der Stromstärke I_dc des an eine Kernwicklung angelegten Gleichstroms ermittelten – Wert I_dc = I_S', bei dem die reale Induktivität auf 50 % des ohne Vormagnetisierung erhaltenen Wertes L'(0) absinkt, direkt auf die reale Sättigungsflußdichte B_S' des Kernmaterials zu schließen bzw. diese daraus zu berechnen.

Es wird außerdem erstmals die Möglichkeit angegeben, aus der Messung der realen Induktivität einer Testspule bei einem erfindungsgemäß bestimmten Sollwert I_S der Stromstärke des Gleichstroms, bei dem die Induktivität auf 50% des ohne Vor magnetisierung erhaltenen Wertes absinken soll, auf das Erreichen des Nominalwerts B_S der Sättigungsflußdichte zu schließen.

Mit Hilfe eines neu aufgefundenen Anpassungsparameters, der die Kernform berücksichtigt, ist das Verfahren auch universell auf unterschiedlichste Kernformen anwendbar und ermöglicht in eindeutiger und sicherer Weise die genaue Angabe der Sättigungsflußdichte.

Zum Durchführen des hier angegebenen Verfahrens zur Überprüfung der Sättigungsflußdichte werden die folgenden Schritte durchgeführt

A) Bereitstellen eines zu untersuchenden Kerns (K) aus dem weichmagnetischen Material
B) Versehen des Kerns mit einer Wicklung (W), wobei eine Testspule gebildet wird, die durch eine, von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms abhängige, reale Induktivität L'(I_dc) charakterisierbar ist
C) Messung der realen Anfangsinduktivität L₀' = L'(0) der Testspule bei der Stromstärke I_dc = 0
D) Berechnen des Sollwerts I_S der Sättigungsstromstärke, bei dem eine Abnahme der realen Induktivität L'(I_dc) der Testspule um 50 % gegenüber dem Wert L₀' erfolgen soll, wobei der Wert I_S unter Annahme des nominalen Wertes B_S berechnet wird
E) Anlegen eines Gleichstroms der im Schritt D für die Testspule ermittelten Sättigungsstromstärke I_S an die Wicklung der Testspule
F) Messung der realen Induktivität L_a' der Testspule bei dem Gleichstrom der Sättigungsstromstärke I_S
G) Vergleichen der realen Induktivität L_a' mit dem Wert 0,5 L₀' und
H) Treffen einer Aussage über das Erreichen des spezifizierten Werts B_S der Sättigungsflußdichte im zu untersuchenden Kernmaterial, wobei dem Kern im Fall L_a' < 0,5 L₀' die Bewertung "Spezifikation nicht erfüllt" und im Fall L_a' ≥ 0,5 L₀' die Bewertung "Spezifikation erfüllt" zugeordnet wird.

Unter einer Testspule wird die Drahtwicklung mit dem magnetischen Kern verstanden.

Unter einer Anfangsinduktivität der Spule versteht man im Sinne der Erfindung die (entweder nominale oder reale, d. h. durch eine Messung ermittelte) Induktivität der Spule mit einem nicht vormagnetisierten Kern, die bei einer Stromstärke I_dc = 0 des Gleichstroms bestimmt wird. Die Anfangsinduktivität wird beim Anlegen eines Wechselstroms geringer Amplitude gemessen.

Zum Durchführen des Verfahrens zur Bestimmung der Sättigungsflußdichte werden die Schritte A, B und C und danach die folgenden Schritte durchgeführt:

D') Messung der Abhängigkeit der realen Induktivität L_a' der Testspule von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms und Ermitteln eines Wertes I_S' für die reale Sättigungsstromstärke, bei dem eine Abnahme der realen Induktivität L der Testspule um 50 % gegenüber dem Wert L₀' erfolgt
E') Berechnen einer realen Sättigungsflußdichte B_S' im zu untersuchenden Kernmaterial gemäß der Formel 1 mit Hilfe des gewonnenen Wertes I_S' für die reale Sättigungsstromstärke
wobei μ₀ für die Permeabilität des Vakuums, μ_i für der Nomi nalwert der Anfangspermeabilität des weichmagnetischen Materials, μ_e' für die reale effektive Permeabilität, N der Windungszahl der Wicklung (W), l_e für die effektive Weglänge des Kerns, A_e für den effektiven Querschnitt des Kerns (K), und A_min für den minimalen Querschnitt des Kerns (K) stehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, entweder den absoluten Wert der Sättigungsflußdichte exakt zu bestimmen, oder alternativ in einer Einpunktmessung ein gegebenes Material zu überprüfen, ob es eine abgeschätzte oder vorgegebene Spezifikation erfüllt.

Ein weichmagnetisches Material soll beispielsweise eine vorgegebene Spezifikation bezüglich B_S (Nominalwert der Sättigungsflußdichte) aufweisen. Anhand aus dem Material hergestellter Kerne soll nun überprüft werden, ob das Herstellverfahren oder der Verarbeitungsprozeß so ausgestaltet ist, daß die gewünschte bzw. angegebene Spezifikation erfüllt ist. Dazu werden die Schritte A) bis C) wie angegeben durchgeführt. Im nächsten Schritt wird ein Sollwert I_S der Sättigungsstromstärke gemäß einer erfindungsgemäß gefundenen Formel aus dem Spezifikationswert B_S berechnet. Ein Gleichstrom dieser berechneten Sättigungsstromstärke I_S wird anschließend im Schritt E) über die Wicklung an den Kern angelegt. Im Schritt F) wird die reale Induktivität L_a' bei der angelegten Sättigungsstromstärke I_S gemessen und im Schritt G) mit der realen Anfangsinduktivität L₀' bzw. mit dem entsprechenden, durch die reale Anfangsinduktivität festgelegten Pegelwert 0,5 L₀' verglichen.

Liegt die gemessene Induktivität L_a' unter einem vorgegebenen, auf den Wert L₀' bezogenen Pegelwert, d. h. dem 50 %-Wert der Anfangsinduktivität, ist also L_a' < 0,5 L₀', so erfüllt der gemessene Werkstoff die angegebene Spezifikation nicht, d.h., der Werkstoff weist eine reale Sättigungsflußdichte B_S' unterhalb der angegebenen Spezifikation B_S auf. Ergibt die Messung allerdings, daß die bei der Stromstärke I_dc = I_S gemessene Induktivität L_a' der Testspule gleich oder größer 50 % der realen Anfangsinduktivität L₀' ist, also L_a' ≥ 0,5 L₀' beträgt, so erfüllt der Kern die angegebene Spezifikation für den Mindestwert der Sättigungsflußdichte. Je mehr die gemessene Induktivität der Testspule den genannten 50 %-Wert der Anfangsinduktivität übertrifft, um so stärker übertrifft der gemessene Kern bezüglich der Sättigungsflußdichte auch die angegebene Spezifikation bzw. den spezifizierten Mindestwert.

Zur Berechnung der Sättigungsstromstärke I_S aus der als Spezifikation vorgegebenen Sättigungsflußdichte B_S wurde folgende Formel 2 gefunden:

wobei μ₀ für die Permeabilität des Vakuums, μ_i für die Anfangspermeabilität des weichmagnetischen Materials, μ_e' für den durch die Messung ermittelten realen Wert der effektiven Permeabilität des weichmagnetischen Materials, N für die Windungszahl der Wicklung, l_e für die effektive Weglänge des Kerns, A_e für den effektiven und A_min für den minimalen Querschnitt des Kerns stehen.

Wird ein Material erstmals gemessen, um erstmals die Sättigungsflußdichte B_S' exakt zu bestimmen, so werden für das Verfahren weitere Meßpunkte benötigt. Durch Variation der Stromstärke I_dc des an die Wicklung angelegten Gleichstroms, insbesondere durch kontinuierliche Steigerung dieses Gleichstroms wird aus der Messkurve L'(I_dc) der Punkt I_S' ermittelt, an dem ein Induktivitätsabfall um 50 % erfolgt. Über diese Stromstärke wird mit Hilfe einer umgewandelten Formel die da zugehörige reale Sättigungsflußdichte B_S' berechnet. Diese berechnet sich gemäß der Formel 1 wie folgt:

wobei die Parameter die gleiche Bedeutung wie in der bereits erläuterten Formel 2 haben.

In Abhängigkeit von dem verwendeten Meßgerät zur Bestimmung der Induktivität ist es möglich, daß die Stromauflösung im gewünschten Bereich zu grob ist, um die benötigte Sättigungsstromstärke I_S' exakt abzulesen. In diesem Fall werden vorzugsweise die beiden Werte, die dem gewünschten 50 % Abfall der Induktivität am nächsten kommen, hergenommen, und die exakte Stromstärke, die dem 50 % Abfall der Induktivität entspricht, durch Interpolation ermittelt.

In Abhängigkeit von dem verwendeten Meßgerät kann es auch erforderlich sein, die Ströme bzw. Stromstärken in einem engen Bereich einzustellen, da sie nur dort exakt gemessen werden können. Da die Sättigungsstromstärke I_S' jedoch das Ergebnis der Messung sein soll, müssen dazu die Rahmenbedingungen, die die Stärke des Sättigungsstroms bestimmen, entsprechend angepaßt werden. Aus der Formel 2 ergibt sich beispielsweise, daß die Sättigungsstromstärke I_S proportional zur effektiven Weglänge l_e des Kerns ist und gleichzeitig reziprok zur Windungszahl N der Wicklung. Für kleinere Kerne mit kleinerer effektiver Weglänge kann es daher vorteilhaft sein, die Anzahl N der Windungen zu erhöhen, damit die gemessene Stromstärke I_S in einem meßtechnisch erfaßbaren Bereich zu liegen kommt. Eine genaue Bestimmung der Sättigungsflußdichte ist auf jeden Fall immer dann möglich, wenn die effektive Permea bilität μ_e weniger als 5 % der anfänglichen Permeabilität μ_i, d. h. μ_e < 0,05μ_i beträgt. Über die Abhängigkeit AL = μ0μeAe/le läßt sich μ_e durch die variierbaren Größen in obiger Gleichung in einem gewünschten Bereich einstellen, um die angegebene Relation zwischen μ_e und μ_i einzustellen. Während die Anfangspermeabilität μ_i ein bei gegebenem Material unveränderlicher Materialparameter ist, kann die effektive Permeabilität μ_e durch Vergrößerung des Luftspalts reduziert werden. Soll ein Kern mit einer in Bezug auf den Wert 0,05μ_i zu hohen effektiven Permeabilität jedoch zerstörungsfrei gemessen werden, so kann dennoch das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, wobei dann jedoch nur ein Mindestwert für die zu bestimmende Spezifikation, also für die Sättigungsflußdichte ermittelt wird, wobei der reale Wert für die Sättigungsflußdichte über dem erhaltenen Mindestwert liegt.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren an Kernen mit Luftspalt durchgeführt. Ein bevorzugtes Gerät zur Bestimmung der Induktivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine handelsübliche LCR-Brücke.

Da die Erfindung erstmals die exakte Bestimmung der Sättigungsflußdichte mit Hilfe eines einfachen und schnell durchzuführenden Verfahrens erlaubt, können Kerne damit auch bei Massenfertigung trotzdem noch exakt spezifiziert werden. Damit ist die Charakterisierung eines weichmagnetischen Kerns mit der erfindungsgemäß bestimmten Spezifikation B_S neu und vorteilhaft. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet sich daher als Standardverfahren für weichmagnetische Kerne an und hat den weiteren Vorteil, daß über eine Kleinsignalmessung eine Materialgröße, die ansonsten nur im Aussteuerungsbereich bestimmbar ist, bei beliebigen Kernformen und auch unter stärkster Scherung bestimmt werden kann. Dies steht im Gegensatz zur bisher allgemein akzeptierten Tatsache, daß Materialpara meter ausschließlich an querschnittsgleichen, geschlossenen Kernen (Ringkernen) gemessen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nur zur Prozeßsteuerung eingesetzt werden, um das Induktivitätsverhalten über der Gleichstromvormagnetisierung zu optimieren. Möglich ist es aber auch, die Sättigung an mit Luftspalt versehenen Kernen exakt zu bestimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt das Verhalten des A_L-Werts mit zunehmender Gleichstromvormagnetisierung
2 zeigt die Magnetisierungskurve eines Kerns mit Luftspalt
3 zeigt das Verhalten der reversiblen Permeabilität über dem Magnetfeld
4 zeigt das Verhalten der reversiblen effektiven Permeabilität unterschiedlicher Kerne über der Gleichstromvormagnetisierung
5 zeigt die Darstellung gemäß 4 mit auf den Anfangswert normierter Permeabilität
6 zeigt den gemessenen und berechneten bzw. korrigierten A_L-Wert über der Stromstärke der Gleichstromvormagnetisierung
7 zeigt eine Versuchsanordnung zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Sättigungsflußdichte
1 zeigt die Problematik, die sich bei der Bestimmung der Sättigung aus der Gleichstromvormagnetisierung nach bekannten Verfahren ergibt. Dort war es erforderlich, den A_L- Wert, auch Induktivitätsfaktor genannt, bei einem Kern auf einen Startwert (z.B. 100 nH) einzustellen und den Wert der Stromstärke des an die Wicklung einer Testspule angelegten Gleichstroms zu bestimmen, bei dem ein Abfall es A_L-Werts um einen gegebenen Prozentsatz, in der Figur beispielsweise 20 gegenüber dem nominalen Anfangswert A_L(0), gemessen wird. Die Messung ist abhängig von der Genauigkeit, mit der der reale, ggf. vom nominalen Anfangswert abweichender A_L-Startwert eingestellt werden kann. Diese Einstellung unterliegt einer Schwankungsbreite, die sich nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand reduzieren läßt.
1A zeigt den Verlauf des A_L-Werts über der Stromstärke der Gleichstromvormagnetisierung für zwei Kerne, die unterschiedliche, innerhalb des Toleranzbereichs bzw. innerhalb der normalen Abweichung liegende Anfangswerte des Induktivitätsfaktors A_L aufweisen. Es zeigt sich, daß beim Kern mit einem bezüglich des Nominalwerts höheren realen A_L-Wert der 20 % Abfall bereits bei einer geringeren Stromstärke erreicht wird, als beim Kern mit dem nominalen A_L-Wert. Nimmt man die erhaltene Stromstärke als Maß für die Sättigung des Materials im realen Kern, wie dies bisher notgedrungen der Fall war, erhält man eine Ungenauigkeit in der Spezifikation, die dann um die Schwankungsbreite als Toleranz niedriger angegeben werden muß, um ein sicheres Einhalten der Spezifikation zu gewährleisten.
1B zeigt dieselbe Messung wie 1A in anderer Darstellung, wobei lediglich der A_L-Wert auf den Anfangswert normiert ist. Trotz Normierung zeigt sich auch hier, daß der 20 % Abfall des A_L-Werts vom Anfangswert in Abhängigkeit von dem realen Startwert bei unterschiedlichen Stromstärken erreicht wird.
2 zeigt den Verlauf der Flußdichte B in Abhängigkeit vom angelegten Feld H. Ab einem bestimmten Feld H nähert sich die Flußdichte B einem Sättigungswert B_S an, der mit dem er findungsgemäßen Verfahren ermittelt werden soll. Die Scherungsgerade, die einer Verlängerung des anfänglich annähernd linearen Verlaufs der Sättigungskurve entspricht, erreicht die Sättigungsflußdichte B_S bei einem Feld H_S. Für rein rechnerisch ergibt sich
Aus der dargestellten Magnetisierungskurve entnimmt man, daß bei einem anliegenden Magnetfeld der Stärke H_S ein etwas niedrigerer als der maximale Flußdichte Wert erhalten wird. Der erhaltene Wert liegt für typische Ferritwerkstoffe bei zirka 90 bis 96 % des maximalen Wertes B_S. Die Erfinder haben nun festgestellt, daß beim Wert H_S ein 50 %-iger Abfall der reversiblen Permeabilität über das Gleichstromfeld erhalten wird. Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß der Abfall der reversiblen Permeabilität um 50 % um so exakter beim Punkt H_S eingehalten wird, je niedriger die effektive Permeabilität μ_e ist. Eine ausreichende Sicherheit bei der Bestimmung des 50 % Abfalls wird erhalten, wenn die effektive Permeabilität weniger als 5 % der anfänglichen Permeabilität μ_i beträgt. Dann kann die Sättigungsflußdichte B_S mit hoher Genauigkeit aus dem Strom I_S bestimmt werden. Der Strom I_S ist die Stromstärke, die zur Erzeugung eines Feldes der Stärke H_S erforderlich ist.
Es wurde gefunden, daß sich die Sättigungsflußdichte B_S wie folgt aus den Meßdaten errechnen läßt
Die angegebene Formel gilt für Kernformen mit gleichbleibendem Querschnitt, in der Regel also ausschließlich für Ringkerne. Für Kernformen mit einer gegebenen Querschnittsvertei lung muß diese Unregelmäßigkeit zusätzlich in der Formel berücksichtigt werden. Dazu ist es erforderlich, die Stromstärke I mit dem Verhältnis des minimalen Kernquerschnitts Amin zum effektiven Querschnitt A_e zu skalieren. Für die Sättigungsflußdichte ergibt sich dann eine um den genannten Faktor erweiterte Formel 3
3 zeigt als äquivalente Darstellung für den gleichen Kern den Verlauf der reversiblen Permeabilität μ_rev = μ_rev,e über dem anliegenden magnetischen Feld H. Man erkennt, daß bei einem Feld der Stärke H_S die reversiblen Permeabilität μ_rev um 50% abgefallen ist.
4 zeigt das Verhalten der effektiven Permeabilität μ_rev,e(I_dc), die proportional zum A_L-Wert und proportional zur Induktivität L über der angelegten Stromstärke I_dc für die Gleichstromvormagnetisierung ist. Aus der Kurvenschar, die sich bei Messung unterschiedlicher Kerne bestimmt wurde, läßt sich noch keine Regelmäßigkeit erkennen.
Normiert man die Meßkurven jedoch auf den Anfangswert μ_e für μ_rev,e, μ_e = μ_rev,e(0), so ergibt sich das in 5 dargestellte Bild. Es zeigt sich, daß alle Kurven mit nur geringen Abweichungen beim 50 % Abfall durch einen gemeinsamen Punkt gehen, welcher im Ergebnis der gesuchten Sättigungsflußdichte B_S entspricht. Bei der in 5 gezeigten Darstellung wurde auch der Stromstärkewert normiert, und zwar mit dem Faktor μ₀ × N/l_e (1/μ_e – 1/μ_i).
6 zeigt anhand einer Grafik, daß sich auch für unterschiedliche Kernformen mit unterschiedlichen anfänglichen A_L-Werten und dementsprechend unterschiedlichem Luftspalt sämtliche Messungen und Berechnungen so ineinander überführen lassen, daß der 50 % Abfall des A_L-Wertes stets mit der gleichen Stromstärke der Gleichstromvormagnetisierung erreicht wird. Die Grafik gibt den Verlauf des A_L-Werts in Abhängigkeit von der Stromstärke I einer anliegenden Gleichstromvormagnetisierung an. Die Kurve 1 ist an einem Ringkern gemessen. Mit den erhaltenen Werten wird die Kurve auf einen EP13 Kern aus dem gleichem, Material mit dem erfindungsgemäßen Korrekturfaktor A_min/A_e umgerechnet, wobei die Kurve 2 erhalten wird. Die Kurve 3 zeigt das berechnete Verhalten eines EP13 Kerns, während die Kurve 4 eine an einem realen EP13 Kern tatsächlich bestimmte Messkurve wiedergibt. Der übereinstimmende Verlauf der Kurven zeigt, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren für alle Kernformen eignet bzw. an allen gleich Kernformen durchgeführt werden kann und dennoch zuverlässig zu einer Materialspezifikation führt, die beim gleichen Material für alle Kernformen das gleiche Ergebnis bringt und dementsprechend zuverlässig die exakte Sättigungsflußdichte B_S angibt.
Die einzige Kurve, die nicht durch den genannten Punkt beim 50 % Abfall geht, ist die für den reinen Ringkern gemessene Kurve 1. Dies ist jedoch verständlich, da ein realer Kern mit unregelmäßiger Querschnittsverteilung in jedem Fall eher in Sättigung geht als ein Ringkern mit gleichbleibendem Querschnitt. Aus der 6 ergibt sich jedoch ganz klar, daß man aus der Kurve 1, die dem reinen Materialwert entspricht, mit Hilfe des erfindungsgemäßen vereinfachten Korrekturfaktors A_min/A_e die Messkurve für einen beliebig geformten Kern mit variierendem Querschnitt errechnen kann, hier die Kurve 2 für einen EP13 Kern. Voraussetzung ist dabei natürlich, daß die Größen A_min und A_e bekannt sind, was für einen realen Kern jedoch stets der Fall ist. 6 bestätigt also in überzeugender Weise die Nützlichkeit der erfindungsgemäßen Ansätze und Berechnung bzw. Meßverfahren zur Bestimmung der Sättigungsflußdichte.
7 zeigt beispielhaft eine für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbare Meßanordnung. Vermessen wird ein Kern K, dessen magnetischer Kreis bis auf einen Luftspalt S geschlossen ist. Mit Hilfe einer um den Kern geschlungenen Wicklung W läßt sich über einen eingespeisten Gleichstrom der Stärke I_dc ein zur Stromstärke I_dc proportionales Feld H anlegen. In einem Meßgerät M, beispielsweise einer digitalen LCR-Brücke, wird nun die Induktivität L der Testspule in Abhängigkeit von der anliegenden Stromstärke I_dc bestimmt. Das Meßgerät M weist vorzugsweise eine zweite Gleichstromquelle auf, mit der eine Gleichstromvorspannung (Bias) an die Wicklung W angelegt werden kann. Möglich ist es jedoch auch, eine Gleichstromvormagnetisierung des Kerns mit Hilfe einer zweiten Wicklung und einer Konstantstromquelle zu erzeugen. Das Ergebnis kann in einer Anzeige A angezeigt werden oder mit Hilfe eines Prozessors P durch die aufgefundenen Formeln in den gewünschten Ausgabewert überführt werden, beispielsweise in die gesuchte Sättigungsflußdichte B_S.
Das Meßgerät M weist in der Regel eine endliche Stromauflösung auf. D.h., zur genauen Bestimmung des Stromes muß in der Regel eine Interpolation erfolgen. Dazu werden jedoch die beiden benachbarten Meßpunkte beiderseits des 50 % Abfalls möglichst eng eingestellt. Dies ist über die Wahl der Windungszahl N und der effektiven Permeabilität μ_e des Kerns in erster Linie vom verwendeten Instrument abhängig. Windungszahl, effektive magnetische Weglänge l_e und effektive Permeabilität μ_e werden dann so eingestellt, daß der für den 50 Abfall erforderliche Gleichstrom I_S in einem Bereich liegt, der im Bereich höchster Meßgenauigkeit des verwendeten Meßgeräts liegt. Ein weiterer Punkt, der zu fehlerhaften Messung führt, sind Temperaturänderungen, die aufgrund der Eigenerwärmung der Spule bzw. der Kerne durch den Gleichstrom erfolgen kann. Die Messung wird also vorzugsweise auf kurze Meß zeiten beschränkt. Ist es erforderlich, mehrere Meßpunkte zur Ermittlung des 50 % Abfalls durchzuführen, werden bei zu starker Erwärmung die Abstände zwischen den Einzelmessungen verlängert oder der Kern gekühlt.
Die Messung kann, wie bereits erwähnt, zur absoluten Bestimmung der Sättigungsflußdichte B_S durchgeführt werden. Dazu wird eine Meßreihe aufgestellt, um den möglichst exakten 50 % Abfall zu ermitteln. Möglich ist es jedoch auch, das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätssicherung zu verwenden. Um zu überprüfen, ob ein gegebenes magnetisches Material bzw. ein daraus gefertigter Kern beliebigen Querschnitts und beliebiger Querschnittsverteilung einer vorgegebenen Materialspezifikation entspricht, wird über die vorgegebene Materialspezifikation bzw. die vorgegebene Sättigungsflußdichte der Strom I_S errechnet, der theoretisch dem 50 % Abfall entsprechen müßte. Mit der in 7 dargestellten Versuchsanordnung wird anschließend dieser berechnete Strom I_S in die Wicklung W eingespeist und der Induktivitätsabfall bestimmt. Wird ein Abfall beobachtet, der höher ist als 50%, so erfüllt das vermessene Material die vorgegebenen Spezifikation nicht. Gegebenenfalls ist dann das Sinterverfahren oder die Kernherstellung zu korrigieren, um ein verbessertes Materialgefüge zu erhalten.

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Sättigungsflußdichte eines, durch eine nominale Sättigungsflußdichte B_S charakterisierten, weichmagnetischen Materials eines Kerns (K), mit den Schritten A) Bereitstellen des Kerns (K) B) Versehen des Kerns mit einer Wicklung (W) zur Bildung einer Testspule, die durch eine, von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms abhängige, reale Induktivität L'(I_dc) charakterisierbar ist C) Messung der realen Anfangsinduktivität L₀' = L'(0) der Testspule bei der Stromstärke I_dc = 0 D) Berechnen eines Sollwerts I_S der Sättigungsstromstärke, bei dem eine Abnahme der realen Induktivität L'(I_dc) der Testspule auf einen Pegelwert 0,5L₀' erfolgen soll, E) Anlegen eines Gleichstroms der im Schritt D für die Testspule ermittelten Sättigungsstromstärke I_S an die Wicklung der Testspule F) Messung des Wertes L_a' = L'(I_S) der realen Induktivität der Testspule bei der Sättigungsstromstärke I_S G) Vergleichen des Werts L_a' der realen Induktivität mit dem Pegelwert 0,5L₀ und H) Bewertung des Kerns (K) in Bezug auf das Erreichen des spezifizierten Werts B_S der Sättigungsflußdichte im weichmagnetischen Material, wobei dem Kern im Fall L_a' < 0,5L₀' die Bewertung "Spezifikation nicht erfüllt" und im Fall L_a' ≥ 0,5L₀' die Bewertung "Spezifikation erfüllt" zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt D) der Sollwert I_S unter Annahme des nominalen Wertes B_S der Sättigungsflußdichte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, – bei dem im Schritt A ein zu untersuchender Kern (K) mit einem durchgehenden Schlitz, der den Magnetkreis des Kerns unterbricht, bereitgestellt wird – bei dem im Schritt D für die Sättigungsflußdichte ein Nominalwert B_S der Sättigungsflußdichte angenommen und die Sättigungsstromstärke I_S anhand der Formel 2 ermittelt wird
– wobei μ₀ für die Permeabilität des Vakuums, μ_e' für die reale effektive Permeabilität,μ_i für der Nominalwert der Anfangspermeabilität des weichmagnetischen Materials, N der Windungszahl der Wicklung (W), l_e für den Nominalwert der effektiven Weglänge des Kerns, A_e für den Nominalwert des effektiven Querschnitt des Kerns (K), und A_min für den Nominalwert des minimalen Querschnitt des Kerns (K) stehen, – bei dem im Schritt E die anhand der Formel 2 errechnete Sättigungsstromstärke I_S an die Wicklung der Testspule angelegt wird.
Verfahren zur Bestimmung der realen Sättigungsflußdichte B_S' eines weichmagnetischen Materials eines Kerns einer vorgegebenen Kernform, mit den Schritten A) Bereitstellen eines zu untersuchenden Kerns (K) aus dem weichmagnetischen Material, B) Versehen des Kerns mit einer Wicklung (W) zur Bildung einer Testspule, die durch eine, von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms abhängige, reale Induktivität L'(I_dc) charakterisierbar ist C) Messung der realen Anfangsinduktivität L₀' = L'(0) der Testspule bei der Stromstärke I_dc = 0 D) Messung der Abhängigkeit der realen Induktivität L_a' der Testspule von der Stromstärke I_dc eines Gleichstroms und Ermitteln eines Wertes I_s' für die reale Sättigungsstromstärke, bei dem eine Abnahme der realen Induktivität L' der Testspule um 50 % gegenüber dem Wert L₀' erfolgt E) Berechnen einer realen Sättigungsflußdichte B_s' im zu untersuchenden Kernmaterial gemäß der Formel 1 mit Hilfe des gewonnenen Wertes I_S' für die reale Sättigungsstromstärke
wobei μ₀ für die Permeabilität des Vakuums, μ_i für der Nominalwert der Anfangspermeabilität des weichmagnetischen Materials, N der Windungszahl der Wicklung (W), l_e für den Nominalwert der effektiven Weglänge des Kerns, A_e für den Nominalwert des effektiven Querschnitt des Kerns (K), und A_min für den Nominalwert des minimalen Querschnitt des Kerns (K) stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Kern (K) mit einem von innen nach außen durchgehenden Luftspalt (S) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kernform derart gewählt wird, dass der Nominalwert μ_e der effektiven Permeabilität des Kerns (K) auf einen Sollwert kleiner 0,05 μ_i eingestellt wird, wobei μ_i die Anfangspermeabilität des weichmagnetischen Materials ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zur Einstellung des genannten Sollwerts der Nominalwert μ_e der effektiven Permeabilität reduziert wird durch Erhöhung der Windungszahl N der Wicklung oder durch Einschleifen eines größeren Luftspalts (S).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Induktivität der Testspule mit einer LCR Brücke (M) bestimmt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zur Spezifizierung weichmagnetischer Materialien.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8 zur Spezifizierung von Ferriten.