DE2247410A1

DE2247410A1 - Elektromagnetisches bauelement

Info

Publication number: DE2247410A1
Application number: DE19722247410
Authority: DE
Inventors: Jun John Davis Harnden
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1972-09-27
Publication date: 1973-04-12
Also published as: JPS559820B2; GB1384079A; FR2154724B1; US3710187A; FR2154724A1; NL7213179A; IT967759B; SE373976B; JPS4842322A

Description

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GENERAL ELECTRIC COMPANY* Schenectady, N.Y., V.St.A.

Elektromagnetisches Bauelement

Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Bauelemente und befaßt sich insbesondere mit der Verwendung von bestimmten gesinterten Metalloxiden zur verbesserten Unterdrückung von Funken und Lichtbogen bei verschiedenen elektromagnetischen Bauelementen.

Bisher traten bei elektromagnetischen Bauelementen, beispielsweise bei Spulen oder Spartransformatoren häufig ernsthafte Lichtbogenprobleme auf, die sich bei plötzlichen Spannungsstößen ergeben, was zu einer verminderten Betriebsdauer und einer verschlechterten Arbeitsweise solcher Bauelemente führte. Häufig ergab sich bei solchen elektrischen Bauelementen auch eine Übererwärmung, da die thermische Leitfähigkeit der verwendeten Kerne zu gering war.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß gesinterte Metalloxid-Werkstoffe oder ,-Varistoren dazu verwendet werden können, Spannungsüberschläge und -Funken möglichst gering zu halten und daß sie ferner auch als brauchbare thermische Leiter verwendet werden können, wodurch eine zu große' Erwärmung von Spulen und Spartransformatoren vermieden wird.

ORIGINAL INSPEQTED

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Die wertvollen Ergebnisse, die sich erzielen lassen» wenn man Metalloxid-Varistoren verwendet, beruht auf der Tatsache, daß Metalloxid-Werkstoffe nicht lineare Widerstandskennlinien aufweisen» die durch die folgende Gleichung beschrieben werden können: .

ΐ-φ·

wobei V die Spannung zwischen zwei Punkten auf den Metalloxid-Werkstoff ist, I der Strom ist, der durch die beiden Punkte fließt, C eine Konstante ist und α ein Exponent ist, der größer ist als 1. C und α sind Funktionen in Abhängigkeit von der Form des Körpers und der Zusammensetzung des Körpers, während C hauptsächlich eine Funktion der Werkstoffkorngröße ist, und wobei α in erster Linie eine Funktion der Kornabgrenzungen ist. Wenn auch Werkstoffe, wie Siliciumcarbid auch einen nichtlinearen Widerstand aufweisen, dann ergeben sich bei diesen Werkstoffen, wenn sie als Transistoren verwendet werden, Exponenten, die nicht größer als 6 sind. Der Metalloxidtransistor, der gemäß der Erfindung verwendet wird, kann ein & aufweisen, welches größer ist als 10, wenn es beispielsweise 30 ist,

3 2 wobei die St

liegen kann.

«3 ■ 2 wobei die Stromdichte in einen Bereich von 10 ^J bis 10 A/qcm

Der Metalloxidwerkstoff kann insbesondere als ein polycrystalliner Keramikwerkstoff eines besonderen Metalloxids beschrieben werden, der zusammen mit kleinen Mengen eines oder mehrerer anderer Metalloxide verwendet wird. Einige der Metalloxidwerkstoffe, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind in der US-PS 3 503 029 beschrieben. Gemäß der Erfindung hat sich Zinkoxid mit kleinen Mengen von Bismuthoxid als das am wirkungsvollste Metalloxid herausgestellt, wobei andere Metalloxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid zusammen mit dem Bismuthoxid hinzugefügt werden können. Die verschiedenen Metalloxide werden gesintert, nachdem das Metalloxidpulver oder die Metalloxidpulvermischung in eine besondere Form gebracht worden ist.

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Die Eigenschaften des Metalloxids· sind, wie es durch die obige Gleichung dargestellt ist, durch die Kristallkorngröße, die Kornzusammensetzung, die Kornoberflächeneigenschaften und die Kornstärke bestimmt, wobei alle diese Parameter in einem keramischen Herstellungsverfahren gesteuert werden können. Der gesinterte Metalloxid-Varistor kann in einfacher. Weise in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden. Er kann auch präzise maschinell bearbeitet werden, so daß mit Hilfe von Druckverbindungen zusammengesetzte Körper entstehen können, die aus bekanntem Magnetkernwerkstoff und Varistoren, wenn diese eine geeignete Größe aufweisen, bestehen.

Die gemäß der Erfindung gebildeten elektromagnetischen Bauelemente, beispielsweise Spulen und Spartransformatoren unterdrücken Überschläge oder Hochspannungsspitzen zwischen den Anschlußklemmen und zwischen den Spulenwindungen in verbesserter Weise und sie weisen dazu die angegebenen gesinterten Metalloxid-Isolatoren auf, die Varistoreigenschaft haben. Die Metalloxide können zusammen mit Magnetkernwsrkstoff verwendet werden, so daß zusammengesetzte Kerne für solche elektromagnetische Bauelemente entstehen.

Ausführungsformen und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung lassen sich beispielsweise den beiliegenden Zeichnungen entnehmen. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen zusammengesetzten Kern für ein elektromagnetisches Bauelement aus gesintertem Metalloxid und Magnetwerkstoff. Wie man sieht, kann das Metalloxid unter Druck in einen Mantel aus Magnetwerkstoff eingesetzt sein oder der Magnetwerkstoff kann das Innenteil in einem Metälloxidaußenteil bilden. Wenn das Metalloxid das Innenteil bildet, dann kann es 10 bis 90% des Volumens einnehmen, während der Magnetwerkstoff mantel dann 90bis 10% des Volumens einnimmt.

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Andererseits kann das Metalloxid 90bis 1096 des Volumens eines zusammengesetzten Kerns einnehmen, wenn es für den äußeren Mantel verwendet wird.

Fig.2a u. 2b Ansichten eines elektromagnetischen Kerns, der aus gesintertem Metalloxid und Magnetwerkstoff zusammengesetzt ist, und der mit einer Wicklung versehen 1st» so daß eine Spule gemäß der Erfindung entsteht.

Fig.3a einen Schnitt durch einen sich selbst einstellenden Spartransformator mit einer gesinterten Metalloxid* schicht zwischen den Windungen des Leiters und dem Magnetkern.

Fig.3b einen Schnitt durch einen Spartransformator mit sinterten Metalloxidschichten zwischen den Windungen des Leiters und der Außenfläche auf beiden Seiten des Magnetkerns.

Fig. 4 eine Ansicht eines Transformators von oben, wobei Elektroden zwischen den Spulenwindungen vorgesehen sind, die im ohmschen Kontakt mit einem Metalloxid-Varistor sind, der eine Außenschicht eines zusammengesetzten Magnetkerns aus gesintertem Metalloxid bildet.

In Fig. 1 ist ein zusammengesetzter Kern 10 für ein elektromagnetisches Bauelement, beispielsweise für eine Spule, dargestellt, der beispielsweise einen Innenteil 11 aufweist, der sich in einem Außenmantel 12 befindet. Der zusammengesetzte Kern kann, so wie es oben beschrieben ist, gesintertes Metalloxid aufweisen, welches entweder den Innenteil,oder _: den /ußenmantel bildet, und er kann einen Magnetwerkstoff enthalten, der den verbleibenden Teil des zusammengesetzten Kerns bildet und der entweder leitend sein kann, wie beispielsweise Molybdän-Perinalloy-Legierung, oder nicht leitend sein

3 ü 9 8 1 S / 0 7 8 0

kann, wie beispielsweise Ferrit. Wenn die Spulen einer Induktivität beispielsweise mit dem- Metalloxid-Varistor oder dem . leitenden Magnetkernwerkstoff in Kontakt sind, dann kann es notwendig sein, eine Drahtisolierung vorzusehen, was davon abhängt, wieviel Volt pro Windung und wieviel Volt pro Mikron vorhanden sind.

Eine Induktivität mit einem gemäß Fig. 1 zusammengesetzten Kern, bei dem beispielsweise das Innenteil aus einem Metalloxid-Varistor besteht, und die an beiden Enden mit Elektroden versehen ist, um einen ohmschen Kontakt zwischen dem Varistor und den festgelöteten Anschlußklemmen zu erhalten, kann das Bilden von Funken bei plötzlichen Spannungsstößen unterdrücken. Eine Leitung durch den Varistor läßt sich ohne weiteres, so wie es durch die obige Gleichung angegeben ist, erreichen, wobei α 10 oder größer sein kann. Der Varistor kann mit Hilfe von Silberfrit mit Elektroden versehen werden, welches als Silber in einem bestimmten Muster auf der Oberfläche des Varistors aufgebrannt wird.

Wenn das Metalloxid nicht mit Elektroden versehen ist, dann kann es als ein thermischer Leiter verwendet werden, der mit einer äußeren Warmeableitvorrichtung verbunden ist, da es ohne weiteres in verschiedenen Formen hergestellt werden kann.

Wenn das Metalloxid als der Außenmantel eines Magnetkerns verwendet wird, dann dient der Metalloxid-Varistor wiederum als Funkenunterdrücker zwischen den einzelnen Spulenwindungen oder, wenn er mit entsprechenden Elektroden versehen wird, zwischen den Anschlußklemmen. Elektromagnetische Bauelemente, die den zusammengesetzten Kern der Fig. 1 aufweisen, sind insbesondere in den Fig. 2a und 2b dargestellt.

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In Fig. 2a ist eine Spule 20 dargestellt, die ein Innenteil 21 aus gesintertem Metalloxid aufweist, das einen Teil des zusammengesetzten Kerns bildet, die ferner einen Mantel 22 aus Magnetwerkstoff, eine Spulenwicklung 23 und ferner Elektroden 24 und 25 an den Enden des Innenteils aus gesintertem Metalloxid aufweist. Die Elektroden stellen eine ohmsche Verbindung zwischen dem Varistor und dem Leiter dar und sie können als Brei aus Glas und Silber aufgebracht werden, der bei einer Temperatur von 500⁰C - 85O⁰C in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise aus Sauerstoff und Luft aufgebrannt wird. Der Kontakt zwischen den Silberelektroden und dem Leiter kann mit Hilfe von bekannten Lötverfahren hergestellt werden. Das gesinterte Metalloxid kann zunlchst in Form einer gemahlenen Mischung aus Metalloxid, die im Mittel von etwa 96,5 - 97,5 Mol% Zinkoxid und von etwa 2,5 bis etwa 3_f5 Mol% einer Mischung irgendeines der oder mehrere der oben erwähnten Oxide enthält, geformt oder stranggepreßt werden. Ein Sintern des Kerns aus Metalloxid kann in Luft bei 125O⁰CbIs 1450⁰C für ein bis drei Stunden vorgenommen werden. Eine Funkenunterdrückung läßt sich zwischen den Elektroden 24 und 25 bei beispielsweise einem plötzlichen Spannungsstoß dadurch erreichen, wenn die Varistoreigenschaften des inneren gesinterten Metalloxidteils, die in einer übermäßigen Leitfähigkeit bestehen, entsprechend der weiter oben erwähnten Beziehung auftreten, wobei ο die Zahl 10 überschreiten kann. Eine nützliche thermische Leitfähigkeit, aus der sich eine einheitlichere Wärmeableitung ergibt, ist dann vorhanden, wenn das gesinterte Metalloxid nicht mit der Spulenwicklung elektrisch verbunden ist. In Fig. 2b ist eine andere abgewandelte Ausführungsform einer Spule dargestellt, bei der das gesinterte Metalloxid den äußeren Mantel bildet und wiederum als Funkenunterdrücker dient. Die Elektroden sind als Teile 28 und 29 dargestellt.

In Fig. 3a ist insbesondere dargestellt, wie der gesinterte Metalloxid-Varistor al3 ein Funkenunterdrücker in einem sich selbst einstellenden Spartransformator, der als Toroid aus-

i (J ¹J ti I 5 / 0 7 8 0

gebildet ist, verwendet werden kann. Es ist eine gesinterte Metalloxid-Varistor-Schicht 31 dargestellt, .die entweder gleichmäßig dick oder im Querschnitt verjüngt sein kann, so wie es durch die Spannungser-fordernisse notwendig ist. Es ist ferner ein Magnetkern 32 vorgesehen, sowie eine Spulenwicklung 33. Ein Abtastarm 34 macht mit den freiliegenden Spulenwindungen Kontakt, die wiederum auf der Seite,.auf der sie den Varistor berühren, isoliert sind. Eine Unterdrückung von Funken läßt sich dadurch erreichen, daß ein Stromweg während Spannungsstößen durch den Varistor vorgesehen wird, die zwischen dem Abtastarm und einer Elektrode an dem Varistor, die nicht dargestellt ist, auftreten.

In Fig. 3b ist ein Spartransformator 35 in weiteren Einzelheiten dargestellt, der toroidförmig ausgebildet ist oder der auch rechteckförmig sein kann, wenn es erwünscht ist, und der ferner ein magnetisches Innenteil 36 aufweist, welches leitend sein kann oder nicht leitend und der darüber hinaus Varistorschichten 37 und 38 und eine Spulenwicklung 39 aufweist. Im Gegensatz zu einem bekannten Spartransformator weist das elektromagnetische Bauelement 35 zur Funkenunterdrückung zwischen den Spulenwindungen, die mit dem gesinterten Metalloxid in Kontakt sind und wenn der Magnetkern leitend ist, zwei Varistorschichten auf.

In Fig. 4 ist ein toroidförmiger Transformator 40 von oben dargestellt, der eine Metalloxid-Varistorschicht 41 aufweist, sechs Elektroden 42, die' im ohmschen Kontakt mit dem Varistor sind, Spulenleiter 43 und Anschlußklemmen 44bis47 aufweist,· ; die mit den Elektroden verlötet sind. Auf Wunsch hin kann auch ein rechteckförmiger zusammengesetzter Kern verwendet werden. Im Gegensatz zu den bekannten Transformatoren läßt sich die Funkenunterdrückung während den Spannungsstößen zwischen den Elektroden oder: 2;wi sehen den Spulenwindungen unterdrücken.

3 Q 9 8 1 ti / 0 7 β fl

Aus den Zeichnungen ergibt sich nicht, daß das gesinterte Metalloxid nicht nur als Funkenunterdrücker oder thermischer Leiter in einem zusammengesetzten Kern eines elektromagnetischen Bauelements, so wie es in den Fig. 1-4 dargestellt ist, verwendet werden kann, sondern daß der Metalloxid-Varistor auch als Verbindungsweg für eine äußere Wärmeableiteinrichtung verwendet werden kann, um Wärme, die von solch einem elektromagnetischen Bauelement erzeugt wird, weiter abzuleiten.

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Claims

Patentansprüche

Elektromagnetisches Bauelement, gekennzeichnet durch

a) einen zusammengesetzten Kern, der aus einem Metalloxid-Varistor und einem Magnetwerkstoff besteht,

b) einem um den zusammengesetzten Kern gewickelten Leiter und

c) Anschlußklemmen für den Leiter zur Kontaktierung des Metalloxid-Varistors.
2. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem zusammengesetzten Kern der Magnetwerkstoff von einem Mantel aus Metalloxid-Varistor umgeben ist.
3. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem zusammengesetzten Kern, der Metalloxid-Väristor von einem Mantel aus Magnetwerkstoff umgeben ist.
4. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetwerkstoff ein Ferrit ist.
5. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalloxid-Varistor im wesentlichen aus Zinkoxid besteht.

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22Α7Λ10
6. Elektromagnetisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im ohmschen Kontakt mit dem Metalloxid-Varistor sind und daß die Elektroden mit den Anschlußklemmen verlötet sind.
7. Elektromagnetisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß sich der Metalloxid-Varistor bis über die. Spulenwicklung hinaus erstreckt und eine thermische Verbindung mit einer äußeren Wärmeableitvorrichtung darstellt.
8. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1 zur Verwendung als Spule,

dadurch gekennzeichnet, daß der Metalloxid-Varistor einen α-Wert aufweist, der größer ist als 10, daß sich der Metalloxid-Varistor innerhalb eines Ferritmantels befindet, und daß Anschlußelektroden, die mit dem Metalloxid-Varistor in ohmschem Kontakt sind, mit den Leitern verlötet sind.
9. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1 zur Verwendung als sich selbst einstellender Spartransformator,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Metalloxid-Varistorschicht mit einem «-Wert, der. größer ist als 10, zwischen den Spulenwindungen und dem Magnetkern vorgesehen ist, so daß ein leitender Pfad zwischen dem Abtastarm des Spartransformators und einem Leiter entsteht, der mit der

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Varistorschicht in ohmschen Kontakt ist.
10. Elektromagnetisches Bauelement nach Anspruch 1 zur Verwendung als Spartransformator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Varistorschicht zwischen den Spulenwindungen und dem Magnetkern vorgesehen ist, daß die Varistorschicht einen α-Wert aufweist, der größer ist als 10 und daß die Varistorschicht Elektroden aufweist, die mit daran festgelöteten leitenden Anschlüssen versehen sind_r wodurch eine bessere Funkenunterdrückung zwischen den Elektroden während großen Spannungsstößen vorliegt.

Rei/Pi.

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