DE112016001360T5

DE112016001360T5 - Induktor und Schutzschaltung

Info

Publication number: DE112016001360T5
Application number: DE112016001360.4T
Authority: DE
Inventors: Shougo KANBE; Kayo SAKAI; Eiichirou Shimazu; Takayuki Oda
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-12-14
Also published as: WO2016152578A1; US20180061562A1; CN107430930A; JP2016181686A

Abstract

Es wird ein Induktor vorgeschlagen, der eine Verringerung der Induktion bei großem Strom unterdrücken kann, ohne einen magnetischen Kern bei großem Strom von mehreren 1000 A, wie beispielsweise bei Kurzschlüssen, magnetisch zu sättigen, und es wird eine Schutzschaltung vorgeschlagen, die den Induktor verwendet. Der Induktor ist aus einem eisenbasierten magnetischen Kern 3 mit einer Hauptspule 2 darin ausgebildet. Eine Kurzschlussspule 4 mit einer Funktion, ein Magnetfeld, das durch einen auf die Hauptspule 2 aufgebrachten Anwendungsstrom erzeugt ist, aufzuheben, und mit einem Spulenwicklungs-Anfang und ein Spulenwicklungs-Ende, die kurzgeschlossen sind, ist koaxial zu der Hauptspule 2 in dem magnetischen Kern 3 angeordnet. Der magnetische Kern 3 hat magnetische Kerne mit derselben Form, die an einer Anstoßfläche 5 anstoßen. Die Schutzschaltung hat einen Stromunterbrecher bzw. -schalter, der zwischen einer Gleichstromleistungsquelle und einer Last verbunden ist, und einen strombegrenzenden Induktor, der mit dem Stromunterbrecher in Reihe verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktor und eine Schutzschaltung, insbesondere betrifft sie einen Induktor, wie beispielsweise einen Transformator, eine Drosselspule, eine Schutzdrossel, einen Filter und einen Sensor bei großem Strom und großer Magnetisierungskraft, und eine Schutzschaltung, die den Induktor verwendet.
Hintergrund
In den vergangenen Jahren wurde ein Strom, der in einem Schaltkreis strömt, ein großer Strom mit hoher Frequenz im Zusammenhang mit einer Verbesserung einer Arbeitsweise eines Leistungshalbleiters wie beispielsweise eines Schaltelements und einer Diode. In diesem Zusammenhang muss ein Induktor, wie beispielsweise eine Drosselspule, eine Schutzdrossel und ein Transformator, das in dem Schaltkreis verwendet wird, mit hohem Strom mit hoher Frequenz umgehen.
Ferner wurde eine Verwendung zum Handhaben von großem Strom wie beispielsweise ein Konverter für einen Solarenergieerzeuger oder Windenergieerzeuger und ein Daten-Center erhöht, und eine Gegenmaßnahme gegen ein unmittelbar großes Stromrauschen ein sogenannter Spitzenstrom bzw. Stoßstrom, wie beispielsweise ein Blitz, wird in diesen Apparaturen wichtig.
Bei einem herkömmlichen Induktor wird ein Magnetfluss bzw. ein Induktionsfluss durch Einsetzen eines magnetischen Kerns in eine Wicklung erhöht und eine Miniaturisierung und eine hohe Effizienz des Induktors werden durch Reduzieren eines magnetischen Streuflusses erreicht.
Demgegenüber ist eine Rauschunterdrückungsvorrichtung bekannt, welche eine Rauschinterferenz, die in einer medizinischen Vorrichtung oder einer elektronischen Computersteuerungselektronik erzeugt wird, durch Verbrauchen eines Teils des Rauschstroms, welcher auf einem leitenden Draht, wie beispielsweise einen Energiezuführdraht und einen Erdungsdraht, überlagert ist, in einem Widerstand, der in einem wicklungsseitigen Schaltkreis angeordnet ist, durch elektromagnetische Induktion zwischen dem leitenden Draht und der Wicklung und durch Unterdrücken des Rauschstroms, welcher auf dem leitenden Draht überlagert ist, reduziert (siehe Patentschrift 1). Bei der Rauschunterdrückungsvorrichtung wird ein Ferritmaterial mit geringem Verlust in einem hohen Frequenzbereich für einen zylindrischen Kern verwendet, und eine Wicklung, welche ein hohles Teil des zylindrischen Kerns durchdringt, ist herumgewickelt, und ein Impendanzelement ist auf der Wicklung angeordnet.
Ferner ist es bei elektrischen Vorrichtungen nötig eine Vorrichtung und eine Person vor einem elektrischen Unfall, wie beispielsweise einem Kurzschluss und einem Austritt von Elektrizität, zu schützen und daher sollte eine Vorrichtung zum Schutz direkt bzw. unmittelbar aktiviert werden. Demgegenüber wird bei den elektrischen Vorrichtungen, wenn an/aus eines Schalters oder eines Schutzschalters betätigt wird oder ein direkter Stromausfall auftritt, ein Stromstoß erzeugt. Daher ist es nötig, dass eine Schutzvorrichtung nicht versehentlich durch den Stromstoß aktiviert wird. Um solche miteinander in Konflikt stehende Anforderungen zu erfüllen, werden vielfältige Schutzvorrichtung, wie beispielsweise eine Sicherung, ein Schutzschalter und ein Relais, in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung eines Schaltkreises verwendet.
Insbesondere wird bei den Schutzvorrichtungen die Sicherung aufgrund dessen beschädigt, dass sie schmilzt, wenn die Sicherung aktiviert wird, und dadurch ist eine Austauscharbeit nötig, um die Sicherung mit einer Austauschsicherung zu ersetzen, und daher gibt es einen Bedarf, andere Schutzvorrichtungen als die Sicherung zu verwenden.
Bei dem Schutzschalter oder dem Relais, welche nicht ausgetauscht werden müssen, wird ein Schalter mechanisch durch Verwendung eines Elektromagneten, thermische Deformation des Materials oder ähnlichem aktiviert, und dadurch ist es schwierig, eine sofortige Unterbrechung zu aktivieren, da eine lange Zeit vergeht. Für eine direkte Aktivierung ist eine Erhöhung des Stroms notwendig. Dementsprechend kann in einem Fall, in welchem der Schutzschalter oder das Relais gegen den Kurzschluss verwendet wird, um die Unterbrechung zu aktivieren, verglichen mit der Sicherung, die Vorrichtung o. ä. nicht geschützt werden, weil ein großer Kurzschlussstrom in den zu schützenden Schaltkreis fließt. Aus diesem Gesichtspunkt wird insbesondere bei einem Gleichstromschaltkreis, auf welchen hohe Spannungen von mehreren 100 V oder mehr aufgebracht werden, gewöhnlich eine Sicherung als eine Kurzschlussschutzvorrichtung verwendet.
Um den Schutzschalter als ein Substitut für eine Sicherung zu verwenden, sollte der Schutzschalter aktiviert werden, bevor der Kurzschlussstrom, der in dem Schaltkreis fließt, groß wird, oder alternativ sollte der Kurzschlussstrom unterdrückt werden, um nicht zu groß zu werden, bis die Unterbrechung aktiviert wird. Somit ist, um den Stoßstrom aufgrund des Kurzschlusses innerhalb des Nennstroms des Schutzschalters zu unterdrücken, ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Induktor, der als eine strombegrenzende Spule bezeichnet ist, in Serie verbunden wird, (siehe beispielsweise nicht-Patentschrift 1 und Patentschrift 2).
Stand der Technik

Nicht-Patentschrift 1: Jürgen Haefner, Bjoern Jacobsen „Proactive Hybrid HVDC Breakers – A key innovation for reliable HVDC grids” CIGRE International Symposium in Bologna
Patentschrift 1: WO 2011/136232 A
Patentschrift 2: WO 2015/015831 A

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung gelöste Probleme
Jedoch ist bei einem Induktor, bei welchem ein magnetischer Kern in einer Wicklungsspule angeordnet ist, um eine magnetische Sättigung des Magnetkerns zu vermeiden, ein Spalt bzw. ein Zwischenraum ausgebildet oder eine Form des magnetischen Kerns ist groß, und dadurch ist eine Form des Induktors groß. Ferner ist Material, welches unter einer großen Magnetisierungskraft kaum magnetisch gesättigt ist, teuer. Ferner ist, in einem Fall, bei welchem großer Strom wie beispielsweise ein Spitzenstrom bzw. ein Stoßstrom in den Induktor fließt, selbst wenn das Material, welches unter großer Magnetisierungskraft kaum magnetisch gesättigt ist, eingesetzt ist, der magnetische Kern magnetisch gesättigt und dadurch kann der Induktor nicht arbeiten. Bei der in Patentschrift 1 offenbarten Rauschreduzierungsvorrichtung wird, wenn die Magnetisierungskraft in Übereinstimmung mit dem Anstieg des Stroms groß wird, eine magnetische Flussdichte und eine Durchlässigkeit reduziert. Somit ist es schwierig eine hohe Induktivität unter großer Magnetisierungskraft sicherzustellen.
Ferner kann bei einer Schutzschaltung einer elektrischen Vorrichtung, bei welcher der Induktor, der als eine Strombegrenzungsspule bezeichnet wird, zusammen mit dem Schutzschalter in Serie verbunden ist, die Zeit, bis der Schutzschalter aktiviert wird, lang sein.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Induktor vorzuschlagen, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, der eine Verringerung der Induktion bei großem Strom erreichen kann, ohne einen magnetischen Kern bei großem Strom von mehreren 1000 Ampere, wie beispielsweise bei einem Stoßstrom, zu sättigen.
Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzschaltung unter Verwendung eines Schaltkreisunterbrechungs-Induktors vorzuschlagen, der eine Stromwellenform so steuern kann, dass bei einer Gleichstromschaltung ein Stromwert schnell erhöht wird und ein Kurzschlussstrom unterdrückt wird, um nicht zu groß zu sein, um eine Zeit, bis ein Schutzschalter aktiviert wird, in einem frühen Stadium des Kurzschlusses zu verkürzen.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer Hauptspule, einer Magnetspule, in der die Hauptspule eingebettet bzw. eingelagert ist, und einer Kurzschluss-Spule versehen, die eine Funktion aufweist, die ein Magnetfeld, das durch einen auf die Hauptspule aufgebrachten Anwendungsstrom erzeugt wird, aufhebt. Insbesondere sind die Kurzschlussspule und die Hauptspule koaxial zueinander angeordnet. Die Kurzschlussspule hat einen Spulenentwicklungs-Anfang und ein Spulenentwicklungs-Ende, die kurzgeschlossen oder über einen Widerstand mit einem geringen Widerstand verbunden sind. Ferner ist der magnetische Kern aus einem eisenbasierten magnetischen Körper gebildet.
Eine Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einer Gleichstromschaltung verwendet, bei welcher ein Schutzschalter zwischen einer Gleichstromenergiequelle und einer Last verbunden ist. Die Schutzschaltung hat einen strombegrenzenden Induktor, der in Serie mit einem Schutzschalter verbunden ist. Bei der Schutzschaltung ist der strombegrenzende Induktor aus dem Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet. Insbesondere ist der strombegrenzende Induktor so gebildet, dass ein Kopplungskoeffizient K zwischen der Hauptspule und der Kurzschlussspule verringert wird, wenn sich der Anwendungsstrom erhöht. Ferner wird ein Verhältnis α (α = –dK/dA) der Verringerung des Kopplungskoeffizienten K in Abhängigkeit von der Erhöhung des Anwendungsstroms größer als α bei K größer als 0,5, wobei K = 0,5 als eine Grenze ist.
Effekte der Erfindung
Bei dem Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung können, da die Kurzschlussspule, die die Funktion des Aufhebens des Magnetfelds, das durch den auf die Hauptspule aufgebrachten Anwendungsstrom erzeugt wird, aufweist, koaxial zu der Hauptspule angeordnet ist, die folgenden Effekte erreicht werden.

(1) In dem magnetischen Kern erzeugte Magnetisierungskraft kann reduziert sein.
(2) In der Kurzschlussspule erzeugte Magnetisierungskraft kann durch einen Kopplungskoeffizienten, die Anzahl von Windungen, einen Gleichstromwiderstand der Kurzschlussspule oder ähnliches gesteuert werden. Damit kann eine hohe Induktion durch eine Steuerung der Durchlässigkeit bei einem Arbeitsstrom beibehalten werden.
(3) Da die Magnetisierungskraft, die bei großem Strom erzeugt wird, reduziert werden kann, kann eine hohe Durchlässigkeit und eine hohe Induktion in einem Fall, bei dem ein günstiges Material wie beispielsweise Ferrit, bei welchem eine hohe Durchlässigkeit nur unter niedriger Magnetisierungskraft erreicht ist, erreicht werden.
(4) Da eine hohe Durchlässigkeit bei großem Strom erreicht werden kann, kann ein Induktor mit einer geringen Größe gestaltet werden. Damit kann beispielsweise der Induktor mit einer geringen Größe unter Verwendung eines günstigen Materials eine hohe Induktion bei einem großen Strom von mehreren 1000 Ampere, wie bei einem Stoßstrom, sicherstellen.

Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung hat den strombegrenzenden Induktor, der in Serie mit dem Schutzschalter verbunden ist. Da der Induktor die Kurzschlussspule aufweist, die die Funktion des Aufhebens des Magnetfelds, das durch den auf die Hauptspule aufgebrachten Anwendungsstrom erzeugt wird, aufweist, kann bei der Gleichstromschaltung eine Zeit, bis der Schutzschalter aktiviert wird, in einem frühen Stadium des Kurzschlusses verkürzt werden. Ferner kann ein Strom, welcher den Unterbrecher bzw. Schalter sofort in einem unverzüglichen Aktivierungsmodus oder ähnlichem aktivieren kann, einer elektromagnetischen Spule des Schalters zugeführt werden, und eine Erhöhung des Stroms nach Überschreiten eines benötigten Stromwerts kann vermieden werden. Durch Verwendung der Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Schutzschalter sicherer als ein Ersatz für eine Sicherung verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1(a) und 1(b) sind Ansichten, die ein Beispiel eines Induktors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
2 zeigt Messwerte, die gemessen werden, wenn ein Strom geändert wird.
3 ist ein Diagramm, das eine Gleichstromschaltung zeigt, mit welcher eine Schutzschaltung verbunden ist.
4 ist eine Draufsicht auf den Induktor, der im Beispiel 4 verwendet wird.
5 ist ein Graph, der eine Stromänderung darstellt, wenn elektrische Energie aufgebracht wird.
6 ist ein Graph, der einen Kopplungskoeffizienten K zwischen einer Hauptspule und einer Kurzschlussspule darstellt.
Ausführungsform der Erfindung
1(a) und 1(b) zeigen ein Beispiel eines Induktors gemäß der vorliegenden Erfindung. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Topftyp-Induktors und 1(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A, die in 1(a) gezeigt ist. Eine Darstellung eines Anschlussdrahts bzw. eines Zuleitungsdrahts einer Spule ist weggelassen.
Bei einem Induktor 1, ist eine Hauptspule 2, bei welcher eine Darstellung des Anschlussdrahts weggelassen ist, in einem magnetischen Kern 3 mit einer zylindrischen Form aufgenommen bzw. eingebettet. Eine Kurzschlussspule 4, welche eine Funktion des Aufhebens eines Magnetfelds der Hauptspule 2 aufweist, ist koaxial zu der Hauptspule 2 und im Inneren der Hauptspule 2 angeordnet. Ferner kann die Kurzschlussspule 4 außerhalb der Hauptspule 2 angeordnet sein, solange wie die Kurzschlussspule 4 koaxial zu der Hauptspule 2 angeordnet ist. Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet koaxiales Anordnen, dass Richtungen der Spulenmittelachsen der gewickelten Spulen im Wesentlichen dieselbe Richtung haben. Vorzugsweise sind die Richtung der Spulenmittelachsen dieselben Richtungen. Ferner umfasst koaxiales Anordnen eine Ausgestaltung, bei welcher die Hauptspule und die Kurzschlussspule in dem magnetischen Kern so angeordnet sind, dass Richtungen von Linien der magnetischen Kraft, die durch die Spulenmittelachsen der gewickelten Spulen hindurchtreten, in einer Vorwärtsrichtung oder in einer Rückwärtsrichtung im Wesentlichen dieselben Richtungen sind. Ein Bezugszeichen 5 ist eine Stoßfläche des magnetischen Kerns 3 bei einer Herstellung.
Ein Kupferemailledraht kann als eine Wicklung verwendet werden, welche die Hauptspule 2 bildet. Als eine Art des Kupferemailledrahts kann ein Uretanedraht („urethane wire”, UEW), ein Formaldraht bzw. ein Polyvenyldraht („formal wire”, PVF), ein Polyesterdraht („polyester wire”, PEW), ein Polyesterimiddraht („polyesterimide wire”, EIW), ein Polyamidimiddraht („polyamideimide wire”, AIW), ein Polyimidedraht („polyimide wire”, PIW) oder eine doppelbedeckte Drahtkombination, ein selbstisolierender Draht, eine Litze oder ähnliches eingesetzt werden. Der Kupferemailledraht kann mit einer kreisförmigen oder rechteckigen Querschnittsform eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Draht, bei welchem eine Wicklungsdichte durch Überlagern und Wickeln einer kurzen Seite eines Drahts mit einer Querschnittsform eines flachen Rechtecks auf den magnetischen Kern verbunden ist, erlangt werden.
Die Hauptspule 2 ist vorzugsweise integral mit einem Harz durch Einbetten der Hauptspule 2 in dem Harz gebildet. Jedes Harz kann als ein Harzkörper eingesetzt werden, bei welchem die Hauptspule 2 eingebettet ist, solange wie das Harz die Hauptspule 2 befestigen und eine Isolierungsleistung zu der Hauptspule 2 hinzufügen kann. Vorzugsweise kann ein duroplastisches Harz, wie beispielsweise Epoxidharz und Silikonharz, welches bei einer Harzdichtung mittels Gießen oder Einspritzen verwendet werden kann, oder ein thermoplastisches Harz, welches bei einem Spritzgießen verwendet werden kann, eingesetzt werden. Beispiele des thermoplastischen Harzes umfassen Polyolefin, wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen, Polyvinylalkohol, Polyäthylenoxid, Polyphenylsulfid (PPS), Flüssigkristallpolymer, Polyetherketon (PEEK), Polyimid, Polyetherimid, Polyacetal, Polyethersulfon, Polysulfon, Polykarbonat, Polyethylenterphthalat, Polyphenylenoxid, Polyphthalamid, Polyamid und Mischungen dieser thermoplastischen Harze. Von diesen thermoplastischen Herzen ist Polyphenylsulfid (PPS) zu bevorzugen, weil das Polyphenylsulfid (PPS) exzellente Strömungseigenschaften beim Spritzgießen hat, sodass eine Oberfläche eines gegossenen Körpers nach dem Spritzgießen mit einer Schicht davon bedeckt ist, und es ferner einen exzellenten Wärmewiderstand aufweist.
Als das Spritzgießen kann beispielsweise ein Formverfahren des Formens eines Harzkörpers durch Einspritzen von Harz in eine Form für die Spule eingesetzt werden, wobei die Form eine bewegliche Hälfte und eine feststehende Hälfte aufweist, die aneinander anstoßen, und wobei die Hauptspule 2 darin angeordnet ist. Der Spritzgusszustand ist unterschiedlich in Übereinstimmung mit einer Art des thermoplastischen Harzes, jedoch ist es beispielsweise in einem Fall, bei dem Polyphenylsulfid (PPS) verwendet wird, zu bevorzugen, dass eine Harztemperatur in einem Bereich zwischen 290 und 350°C eingestellt ist, und dass eine Formtemperatur in einem Bereich zwischen 100 und 150°C eingestellt ist.
Als der Harzkörper, in welchem die Hauptspule 2 eingebettet ist, kann ein duroplastisches Harz wie beispielsweise Epoxidharz und Phenolharz als Bindeharz des magnetischen Kerns 3 anders als das oben beschriebene thermoplastische Harz eingesetzt werden.
Jede Spule kann für die Kurzschlussspule 4 verwendet werden, solange wie ein Spulenwicklungs-Anfang und ein Spulenwicklungs-Ende kurzgeschlossen sind. Ferner ist die Kurzschlussspule 4 vorzugsweise koaxial zu der Hauptspule 2 angeordnet. Durch koaxiales Anordnen der Kurzschlussspule 4 mit der Hauptspule 2 wird das Magnetfeld, das durch unter Strom setzen der Hauptspule 2 erzeugt wird, auf die Kurzschlussspule 4 aufgebracht, und dadurch kann das Magnetfeld effizient aufgehoben werden. Ferner kann durch Ändern der Anzahl von Windungen der Spule, eines Durchmessers des Kupferdrahts und eines Kopplungskoeffizienten aufgrund einer perspektivischen Anordnung der Hauptspule 2 und der Kurzschlussspule 4, die Magnetisierungskraft, die in der Kurzschlussspule 4 erzeugt ist, gesteuert werden. Somit wird die Durchlässigkeit des magnetischen Kerns 3 bei dem Strom, der auf die Hauptspule 2 aufgebracht ist, gesteuert, und dadurch kann ein Induktor, der eine hohe Induktion bei großem Strom beibehält, erlangt werden.
Eine zu der Hauptspule 2 ähnliche Wicklung kann für die Wicklung verwendet werden, welche die Kurzschlussspule 4 bildet. Ferner kann ein zylindrisches Element, das aus einem leitenden Körper gebildet ist, ebenfalls für die Kurzschlussspule verwendet werden. Die Kurzschlussspule 4 ist vorzugsweise integral durch Einbetten der Kurzschlussspule 4 in dem Harz, ähnlich wie bei der Hauptspule 2, gebildet.
Der magnetische Kern 3 ist vorzugsweise aus einem eisenbasierten magnetischen Körper gebildet. Der eisenbasierte magnetische Körper kann durch Aufbringen einer Isolationsbehandlung auf eine Oberfläche eines Puders, beispielsweise einem reinen Eisen, einer Eisen-Silizium basierten Legierung, einer Eisen-Stickstoff basierten Legierung, einer Eisen-Nickel basierten Legierung, einer Eisen-Kohlenstoff basierten Legierung, einer Eisen-Bor basierten Legierung, einer Eisen-Kobalt basierten Legierung, einer Eisen-Phosphat basierten Legierung, einer Eisen-Nickel-Kobalt basierten Legierung, einer Eisen-Alluminium-Silizium basierten Legierung (Sendust Legierung), einer amorphen Eisen basierten Legierung oder einem feinen kristallinen Material und durch anschließendes Anwenden eines Druckformens auf das Pulver hergestellt werden. Unter diesen magnetischen Pulvern ist ein reines Eisen bevorzugt und ein reduziertes Eisenpulver („reduced iron powder”) und zerstäubtes Eisenpulver („atomized iron powder”), das in der Pulvermetallurgie verwendet wird, sind besonders zu bevorzugen. Ferner ist Wasserzerstäubtes-Eisenpulver („water atomized iron powder”) hinsichtlich Kosten und einer Behandlungsleistung der Isolationsbeschichtung zu bevorzugen.
Die Oberfläche des magnetischen Pulverpartikels, das oben beschrieben ist, ist vorzugsweise mit einem nicht organischen Isolationskörper beschichtet. Eine Art eines nicht organischen Isolationsmaterials ist nicht besonders begrenzt und ein herkömmliches bei Massekernen verwendetes Material kann verwendet werden. Beispiele eines zu bevorzugenden Installationsmaterials umfassen Metallphosphate wie beispielsweise Eisenphosphat, Magnesiumsphosphat, Zinkphosphat, Kalziumsphosphat und Aluminiumsphosphat, und Metalloxid wie beispielsweise Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und Zirkonoxid. Beispiele eines herkömmlichen Produkts des eisenbasierten weich-magnetischen Pulvers, das mit dem nicht organischen Isolationsmaterial beschichtet ist, umfasst ein Produkt namens „Somaloy”, das durch Höganäs Sweden AB hergestellt wird.
Der magnetische Körper, welcher den magnetischen Kern 3 bildet, wird beispielsweise durch Druckformen des oben beschriebenen Materialpulvers mit der Isolationsbeschichtung, die auf den Oberflächen der Partikel des Materialpulvers gebildet ist, oder durch Druckformen von Pulver, bei welchem das duroplastisches Harz, wie beispielsweise Epoxidharz, dem Materialpulver, das oben beschrieben ist, beigefügt wird, hergestellt, sodass ein komprimierter Pulverpresskörper gebildet wird, und mit anschließendem Backen des komprimierten Pulverpresskörpers. Das duroplastisches Harz wie beispielsweise Epoxidharz wird beigefügt, bzw. hinzugefügt, wenn ein Problem bei der Festigkeit auftreten könnte.
Das Epoxidharz, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist vorzugsweise aus einem Epoxidharzklebstoff mit einer Erweichungstemperatur zwischen 100 und 120°C gebildet. Beispielsweise kann das Epoxidharz, welches bei Raumtemperatur in einem festen Zustand, bei einer Temperatur zwischen 50 und 60°C in einem pastenartigen Zustand, und bei einer Temperatur zwischen 130 und 140°C in einem flüssigen Zustand ist, und das, wenn dem Erwärmen weitergeht, aushärtet, eingesetzt werden. Die Aushärtereaktion startet bei einer Temperatur von annähernd 120°C, jedoch ist eine Temperatur, wenn die Aushärtereaktion innerhalb einer praktikablen Aushärtezeit von beispielsweise zwei Stunden abgeschlossen ist, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 170 und 190°C eingestellt. Bei diesem Temperaturbereich beträgt die Aushärtezeit zwischen 45 und 80 Minuten.
Beispiele der Harzkomponente des Epoxidharz umfassen ein Epoxidharz vom Typ Bisphenol A, ein Epoxidharz vom Typ Bisphenol F, ein Epoxidharz vom Typ Bisphenol S, ein hydriertes Epoxidharz vom Typ Bisphenol A, ein hydriertes Epoxidharz vom Typ Bisphenol F, ein Epoxidharz vom Typ Stilben, ein Triazin-Gerüst aufweisendes Epoxidharz, ein Fluoren-Gerüst aufweisendes Epoxidharz, ein alizyklisches Epoxidharz, ein Epoxidharz vom Typ Novolab, ein Acryl Epoxidharz, ein Epoxidharz vom Typ Glycidylamin, ein Epoxidharz vom Typ Tri-Phenol-Phenol-Methan („triphenolphenolmethane”), ein Epoxidharz vom Typ Biphenyl, Dicyclopentadien-Gerüst aufweisendes Epoxidharz, ein Naphthalin-Gerüst aufweisendes Epoxidharz und eine Epoxidharz vom Typ Arylalkyl.
Die Härterkomponente des Epoxidharzes ist vorzugsweise ein latenter Epoxidhärter. Durch Verwendung des latenten Epoxidhärters kann die Erweichungstemperatur in einem Bereich zwischen 100 und 120°C eingestellt werden, und die Aushärtetemperatur kann in einem Bereich zwischen 170 und 190°C eingestellt werden, wodurch eine Isolationsbeschichtung auf einem Eisenpulver gebildet werden kann, gefolgt durch Druckformen und thermischem Aushärten.
Beispiele des latenten Epoxyhärters umfassen Dicyandiamid, einen Trifluorboran-Amine-Komplex („trifluoroboron-amine complex”) und ein organisches Säurehydrazid. Unter diesen ist Dicyandiamid zu bevorzugen, welches zu dem oben beschriebenen Aushärtezustand passt.
Ferner kann ein Aushärtebeschleuniger wie beispielsweise ein tertiäres Amin, Imidazol und ein aromatisches Amin zusammen mit dem latenten Epoxidhärter in das Epoxidharz gemischt werden.
Das den latenten oben beschriebenen Härter enthaltende Epoxidharz, enthält den latenten Härter, sodass die Aushärtebedingungen 2 Stunden bei 160°C, 80 Minuten bei 170°C, 55 Minuten bei 180°C, 45 Minuten bei 190°C und 30 Minuten bei 200°C betragen.
Wenn das Epoxidharz gemischt wird, sind Mischungsverhältnisse des eisenbasierten weich-magnetischen Pulvers, welches eine Oberfläche aufweist, die der nicht organischen Isolierungsbeschichtungsbehandlung ausgesetzt ist, und von dem Epoxidharz in einem Bereich zwischen 95 und 99% der Masse des eisenbasierten weich-magnetischen Pulvers eingestellt und in einem Bereich zwischen 1 und 5% der Masse des Epoxidharz, das den latenten Härter enthält, hinsichtlich der Gesamtmenge des eisenbasierten weichen magnetischen Pulvers und des Epoxidharzes. Weil, wenn das Verhältnis des Epoxidharzes weniger als 1% der Masse ist, wird eine Verbesserung der Festigkeit nicht erwartet, und wenn das Verhältnis des Epoxidharzes mehr als 5% der Masse ist, sind magnetische Eigenschaften verschlechtert und eine harzreiche grobkörnige Agglomeration wird erzeugt.
Bei dem magnetischen Körper, in welchem das Epoxidharz gemischt ist, ist eine nicht ausgehärtete Harzbeschichtung auf der nicht organischen Isolationsbeschichtung auf der Oberfläche des eisenbasierten weich-magnetischen Pulvers durch Trockenmischen des eisenbasierten weich-magnetischen Pulvers, welches die oben beschriebene Oberfläche aufweist, die der nicht organischen Isolationsbeschichtungsbehandlung ausgesetzt ist, und des oben beschriebene Epoxidharz bei einer Temperatur von zwischen 100 und 120°C gebildet. Das eisenbasierte magnetische Pulver, das die Isolationsbeschichtung auf seiner Oberfläche aufweist, ist geformt, um einen geformten Körper mittels des Druckformens unter Verwendung einer Form zu bilden, und dann wird der magnetische Körper, der aus dem integrierten geformten Körper gebildet ist, durch thermisches Aushärten des geformten Körpers bei einer Temperatur einer thermischen Aushärtestart-Temperatur oder mehr des Epoxidharzes, erhalten.
Ferner ist der magnetische Körper, welcher den magnetischen Kern 3 bildet, ebenfalls durch Spritzgießen einer Mischung, bei welcher das eisenbasierte weich-magnetische Pulver und das Bindeharz gemischt sind, hergestellt. Als das Bindeharz kann das thermoplastische Harz, welches bei dem Spritzgießen verwendet wird, eingesetzt werden. Als das thermoplastische Harz kann ein Harzkörper wie der oben beschriebene Harzkörper, in welchen die Spule eingebettet ist, eingesetzt werden. Unter diesen ist Polyphenylsulfid (PPS) zu bevorzugen, weil das Polyphenylsulfid (PPS), das in dem eisenbasierten weich-magnetischen Pulver gemischt ist, exzellente Strömungseigenschaften bei dem Spritzgießen aufweist, sodass eine Oberfläche des geformten Körpers nach dem Spritzgießen mit einer Schicht davon beschichtet, ist und weil es ferner einen exzellenten Wärmewiderstand aufweist.
Ein Verhältnis des Rohmaterial-Pulvers ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 80 und 95% der Masse hinsichtlich der Gesamtmenge des Rohmaterial-Pulvers und des thermoplastischen Harzes als 100% der Masse eingestellt. Wenn das Verhältnis des Rohmaterial-Pulvers geringer als 80% der Masse ist, werden die magnetische Eigenschaften nicht erlangt, und wenn das Verhältnis des Rohmaterial-Pulvers mehr als 95% der Masse ist, ist eine Spritzgießleistung verschlechtert.
Als das Spritzgießen kann beispielsweise ein Verfahren des Formens des Formkörpers durch Einspritzen des Rohmaterial-Pulvers in eine Form mit einer beweglichen Hälfte und einer feststehenden Hälfte, die aneinander anstoßen, eingesetzt werden.
Der Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung, der in 1(a) und 1(b) dargestellt ist, ist durch Anordnen der Hauptspule 2 und der Kurzschlussspule 4 in dem magnetischen Kern 3, der in zwei Teile in einer Vertikalrichtung in der Schnittansicht, die in 1(b) dargestellt ist, unterteilt ist, erlangt. Die zwei Teile, in welche der magnetische Kern 3 unterteilt ist, sind wechselseitig unter Verwendung eines lösemittelfreien Epoxidklebers oder ähnlichem an der Anstoßfläche 5 verbunden.
Der Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Überspannungsschutzschaltung, einer Kurzschlussverhinderungsschaltung einer Geräuschfilterschaltung bei großem Strom, einer Sicherheitsschaltung einer Gleichstromschaltung, mit welcher der Schutzschalter verbunden ist, und ähnlichem verwendet werden.
3 zeigt ein Beispiel einer Ausgestaltung, bei welcher der Induktor bei einer Sicherheitsschaltung einer Gleichstromschaltung angewendet wird. 3 ist ein Beispiel der Gleichstromschaltung, mit welcher der Schutzschalter verbunden ist.
Ein strombegrenzender Induktor 1', der als eine Schutzschaltung vorgesehen ist, ein Schutzschalter 8 und eine Last 7 sind in Reihe in dieser Reihenfolge zwischen einer Gleichstromenergiequelle 6 und der Last 7 verbunden. Der Schutzschalter 8, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet ist, ist als ein vollständig elektromagnetischer Leitungs-Unterbrecher mit einer Charakteristik, bei welcher die Zeit bis zur Unterbrechung kürzer wird, wenn ein Wert des Stroms, der in einem Relais-Teil des Unterbrechers strömt, größer wird, gebildet. Der strombegrenzende Induktor 1', der mit dem Schutzschalter 8 in Reihe verbunden ist, ist mit einer Hauptspule 2' und einer Kurzschlussspule 4', die magnetisch mit der Hauptspule 2' verbunden ist, versehen. Die Kurzschlussspule 4' wird aktiviert, wenn eine große Stromänderung in der Gleichstromschaltung aufgrund des Kurzschlusses der Last 7 oder ähnlichem erzeugt wird. Die Kurzschlussspule 4' ist ausgebildet, um die Erhöhung des Stroms an einer primären Seite in Übereinstimmung mit Charakteristiken des Schutzschalters 8, der bei der Gleichstromunterbrechungsschaltung verwendet wird, zu vermeiden. Insbesondere ist die Kurzschlussspule 4' ausgebildet, um den Strom schnell bis zu einem Stromwert, bei welchem der Schutzschalter 8 aktiviert werden kann, in einer vorbestimmten Zeit zu erhöhen, indem ein Einfluss des Induktors 1' so vermieden bzw. unterdrückt wird, dass er gering ist, und ist ausgebildet, um die Erhöhung des Stroms nachdem der Strom einen vorbestimmten Stromwert überstiegen hat, zu vermeiden.
Bei einem normalen Transformator oder ähnlichem ist es wichtig, dass sich der Kopplungskoeffizient K nicht in Übereinstimmung mit dem Stromwert ändert. Jedoch wurde herausgefunden, dass sich der Kopplungskoeffizient K zwischen der Hauptspule 2' und der Kurzschlussspule 4', welche den Strombegrenzungsinduktor 1' gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, verringert, wenn der Strom, der in der Hauptspule 2' strömt, groß wird, und die Erhöhung des Stroms kann bei K ≤ 0,5 (siehe 6) extrem vergleichmäßigt bzw. vereinheitlicht werden. Ein Verhältnis α (α = –dK/dA), der Verringerung des Kopplungskoeffizienten K, wird größer als α bei K größer als 0,5, wobei K = 0,5 eine Grenze ist. Folglich wird der Effekt, den Strom zu unterdrücken, wenn der große Strom fließt, durch Einstellen des begrenzenden Induktors, sodass der Kopplungskoeffizient K eingestellt ist, um bei jedem Stromwert gleich oder kleiner als 0,5 zu sein. Ferner kann α in jeder Weise durch Einstellen einer Form des magnetischen Kerns, der Anzahl der Windungen der Hauptspule, der Anzahl von Windungen der Kurzschlussspule und eines Widerstands von jeder Spule eingestellt werden. Beispielsweise kann der Stromwert, bei welchem sich α extrem ändert, durch Erhöhen der Anzahl der Windungen der Kurzschlussspule, Verringern eines magnetischen Widerstands einer magnetischen Schaltung, Vergrößern eines Werts der Sättigungsmagnetflussdichte des magnetischen Kerns und/oder Erhöhen der Anzahl der Kurzschlussspulen, Vergrößern eines Drahtdurchmessers der Kurzschlussspule und Verringern des Widerstands zu einer Seite eines großen Stroms der Kurzschlussspule verschoben werden.
Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Stromwellenform so steuern, dass der Kurzschlussstrom nicht zu groß wird, während der Stromwert schnell ansteigt, um den Schutzschalter schnell in einem frühen Stadium des Kurzschlusses in der Gleichstromschaltung zu Aktivieren, und dadurch kann die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Batterie-Auflader wie beispielsweise einem Schnell-Batterie-Auflader, für elektrische Fahrzeuge, einem Hochspannungsgleichstrom-Energiezuführsystem („current power supply system”, HVDC), das für Datencenter verwendet wird, einem intelligenten Haus („Smarthouse”) und ähnlichem, bei einem Gleichstromenergieerzeuger, wie beispielsweise einem Solarenergieerzeuger und ähnlichem, verwendet werden.
Beispiele
Beispiel 1
Ein magnetischer Kern 3 mit Topftyp mit einem hohlen Teil, um die Spule darin anzuordnen, die in 1 dargestellt ist, wurde unter Verwendung von Eisenpulver hergestellt (Somaloy: Isolationsbeschichtungsbehandlung Eisenpulver hergestellt durch Höganäs Sweden AB), bei welchem eine Pulveroberfläche mit einer nicht organischen Isolierungsbeschichtung bedeckt ist. Der magnetische Kern 3 ist in einer topfartigen Form mit einem Innendurchmesser (t1) von 28 mm, einem Außendurchmesser (t2) von 120 mm, einer Höhe (t3) von 36,5 mm, einer seitlichen Dicke des hohlen Teils (t4) von 12 mm, und einer vertikalen Dicke des hohlen Teils (t5) von 10 mm ausgebildet. Zwei der magnetischen Kerne 3 wurden hergestellt.
Eine rechteckige Querschnitts-Isolationswicklung mit einer Weite von 5 mm und einer Dicke von 4,5 mm wurde bereitgestellt, und eine Spule mit einem Innendurchmesser von 80 mm, einem Außendurchmesser von 90 mm und einer Höhe von 50 mm wurden durch Wickeln der rechteckigen Querschnitts-Isolationswicklung hergestellt, um eine Hochkant-Wicklung zu sein. Die Spule wird an einer Seite des magnetischen Kerns 3 angeordnet, und ein Anschlussdraht wird befestigt.
Demgegenüber wurde eine Kurzschlussspule mit einem Innendurchmesser von 54 mm, einem Außendurchmesser von 64 mm und einer Höhe von 50 mm und mit einem Wicklungsverhältnis der Spule (Hauptspule 2) mit dem Anschlussdraht und der Kurzschlussspule (Spule 4), das auf 10:1 eingestellt ist, unter Verwendung der rechteckigen Querschnitts-Isolationswicklung, die oben beschrieben ist, hergestellt. Bei der Kurzschlussspule sind ein Spulenentwicklungs-Anfang und ein Spulenentwicklungs-Ende elektrisch miteinander verbunden. Der in 1 dargestellte Induktor wurde durch Anordnen der Kurzschlussspule in der Spule mit dem oben beschriebenen Anschlussdraht und Abdecken bzw. Bedecken der gesamten Spule unter Verwendung eines weiteren magnetischen Kerns 3 hergestellt. Ein Spulenspalt bzw. ein Spulenzwischenraum (t6) zwischen beiden Spulen beträgt 7 mm.
Die Induktion des erlangten Induktors wurde durch einen LCR-Meter gemessen, während der Stromwert geändert wird. 2 zeigt das Ergebnis davon.
Beispiel 2
Ein Induktor ähnlich dem Beispiel 1, außer dass der Induktor ein Wicklungsverhältnis der Spule mit dem Anschlussdraht und der Kurzschlussspule aufweist, das auf 10:3 eingestellt wurde, wurde hergestellt. 2 zeigt dessen Ergebnis.
Beispiel 3
Ein Induktor ähnlich dem Beispiel 1, außer dass der Induktor ein Wicklungsverhältnis der Spule mit dem Anschlussdraht und der Kurzschlussspule aufweist, das auf 10:5 eingestellt wurde, wurde hergestellt. Die Induktion wurde durch ein gleiches Verfahren, wie das des Beispiels 1, gemessen. 2 zeigt dessen Ergebnis.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Induktor ähnlich dem Beispiel 1, außer dass die Kurzschlussspule nicht vorgesehen ist, wurde hergestellt. Die Induktion wurde durch ein gleiches Verfahren, wie das des Beispiels 1, gemessen. 2 zeigt dessen Ergebnis.
Wie in 2 dargestellt ist, wird bei dem Induktor des Vergleichsbeispiels 1 eine große Induktion erlangt, wenn der Anwendungsstrom klein ist, jedoch wird die Induktion verringert in Übereinstimmung mit der Erhöhung des Stroms. Verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1, bei welchem die Kurzschlussspule nicht angeordnet ist, ist bei jedem Beispiel durch Anordnen der Kurzschlussspule die Induktion klein, wenn der Strom klein ist, während die Induktion sich erhöht, wenn der Strom größer wird. Wie bei dem Beispiel 1 bis 3 dargestellt, wird, wenn der Kopplungskoeffizienten sich erhöht, ein Spitzenwert der Induktion zu einer Seite eines großen Stroms verschoben.
Ferner ist bei der vorliegenden Erfindung eine Art des magnetischen Materials nicht besonders begrenzt, und eine gleiche Tendenz kann bei den Materialien, die in JP 4763609 B , JP 5069962 B und JP 2014-062230 A offenbart sind, erlangt werden.
Beispiel 4
4 zeigt einen Induktor eines Beispiels 4. 4 ist eine Draufsicht auf den Induktor.
Ein Induktor 1', der mit einer Hauptspule 2' und einer Kurzschlussspule 4' versehen ist, wurde hergestellt. Sowohl die Hauptspule 2' als auch Kurzschlussspule 4' haben 16 Umdrehungen der Wicklungen, die um einen amorphen Pulverkern 3 (morphus dust core) Pressdichte („green copact density”) von 5,6 g/cm³) mit einem Außendurchmesser φ von 20,2 mm, einem Innendurchmesser φ von 12,5 mm und einer Dicke t von 6,4 mm herumgewickelt sind. Ein Kupfer-Emailledraht mit einem Durchmesser von 0,6 mm wird sowohl in der Hauptspule 2' als auch der Kurzschlussspule 4' verwendet. Bei der Kurzschlussspule 4' sind ein Spulenentwicklungsanfang und ein Spulenentwicklungsende elektrisch miteinander verbunden. Ferner ist der Kopplungskoeffizienten K bei 700 A durch Einstellen eines Drahtdurchmessers der Kurzschlussspule 4', einem Wicklungsverhältnis der Hauptspule 2' und der Kurzschlussspule 4' und der Anzahl von Windungen von jeder der Hauptspule 2' und der Kurzschlussspule 4' auf 0,2 eingestellt.
Wenn ein Kurzschlussunfall des so erhaltenen Induktors simuliert wird, wird eine Stromänderung, wenn Elektrizität mit einer Spannung von 60 V auf den Induktor 1' aufgebracht wird, von einem nicht erregten Zustand gemessen. 5 zeigt dessen Ergebnis.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Induktor ähnlich dem Beispiel 4, außer dass die Kurzschlussspule nicht vorgesehen ist, wurde hergestellt. Die Stromänderung wurde durch ein gleiches Verfahren, wie das des Beispiels 4 gemessen. 5 zeigt dessen Ergebnis.
Bei dem Induktor des Beispiels 4 wird ein strombegrenzender Effekt, bei welchem der Strom schnell in einem frühen Stadium ansteigt und dann die Erhöhung des Stroms vermieden wird, wenn der Strom einen vorbestimmten Stromwert übersteigt, erlangt. Folglich kann die Stromwellenform so gesteuert werden, dass der Kurzschlussstrom nicht zu groß wird, während der Strom schnell erhöht wird, um den Schutzschalter in einem frühen Stadium des Kurzschlusses in der Gleichstromschaltung zu aktivieren.
Demgegenüber tritt bei dem Induktor des Vergleichsbeispiels 2 mit einer allgemeinen Ausgestaltung, bei welcher die Kurzschlussspule nicht vorgesehen ist, magnetische Sättigung auf, wenn der Strom mehrere 10 A übersteigt, und dann beginnt die exzessive Erhöhung des Stroms, und daher kann die Wellenform nicht gesteuert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Induktor für elektrische Vorrichtungen verwendet werden, die in einem Zustand verwendet werden, bei welchem magnetische Sättigung bei großem Strom verhindert wird, weil die Kurzschlussspule an einer vorbestimmten Position eingebettet bzw. aufgenommen ist. Ferner kann durch Verwendung des Induktors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Schutzschaltung einer Gleichstromschaltung ein Schutzschalter als Sicherungsersatz zuverlässiger verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Induktor
2: Spule
3: magnetischer Kern
4: Kurzschlussspule
5: Anstoßfläche
6: Gleichstrom
7: Last
8: Stromunterbrecher (Schutzschalter)

Claims

Ein Induktor umfassend: eine Hauptspule, eine Magnetspule, in der die Hauptspule eingebettet bzw. aufgenommen ist, und eine Kurzschlussspule, die eine Funktion aufweist, ein Magnetfeld, das durch einen auf die Hauptspule aufgebrachten Anwendungsstrom erzeugt wird, aufzuheben.
Der Induktor gemäß Anspruch 1, wobei die Kurzschlussspule und die Hauptspule koaxial zueinander angeordnet sind.
Der Induktor gemäß Anspruch 1, wobei die Kurzschlussspule einen Spulenentwicklungs-Anfang und ein Spulenentwicklungs-Ende aufweist, die kurzgeschlossen sind.
Der Induktor gemäß Anspruch 1, wobei der Magnetkern aus einem eisenbasierten Magnetkörper gebildet ist.
Eine Schutzschaltung umfassend einen strombegrenzenden Induktor, der in Reihe mit einem Schutzschalter verbunden ist, der zwischen einer Gleichstromleistungsquelle und einer Last verbunden ist, wobei der strombegrenzende Induktor aus dem Induktor gemäß Anspruch 1 gebildet ist.
Die Schutzschaltung gemäß Anspruch 5, wobei der strombegrenzende Induktor so ausgebildet ist, dass sich ein Kopplungskoeffizient K zwischen der Hauptspule und der Kurzschlussspule verringert, wenn der Anwendungsstrom erhöht wird.
Die Schutzschaltung gemäß Anspruch 5, wobei α, das durch den folgenden Ausdruck definiert ist, größer wird als α bei K größer als 0,5, wobei K = 0,5 eine Grenze ist α = –dK/dA wobei α ein Verhältnis der Verringerung des Kopplungskoeffizienten, welcher sich, im Zusammenhang mit einer Erhöhung des Anwendungsstroms verringert, bezeichnet, K den Kopplungskoeffizienten zwischen der Hauptspule und der Kurzschlussspule bezeichnet, und A den Anwendungsstrom bezeichnet.