-
Induktor bzw. Transformator Die Erfindung betrifft einen Induktor
bzw. einen Transformator.
-
Es ist aus der Nagnetisierungskurve von Kernmaterialien, die für Induktoren
und Transformatoren verwandt werden, bekannt, daß die magnetische Flußdichte mit
steigendem angelegtem magnetischen Feld ansteigt. Wenn jedoch die magnetischen Kerne
materialien einmal das magnetische Sättigungsfeld erreicht haben, nimmt die magnetische
Flußdichte kaum mehr zu, selbst wenn das angelegte magnetische Feld erhöht wird.
Wenn ein auseinem Gleichstrom-und einem Wechseistromanteil bestehender Strom den
Wicklungen eines Induktors oder Transformators geliefert wird, wird aus diesem Grunde
der Kern durch den Gleichstromanteil vormagnetisiert und nimmt die Permeabilität
bezüglich des Wechselstromanteils ab. Um diesen Effekt herabzusetzen, wurde ein
Luftspalt im magnetischen Kern vorgesehen, um einen offenen magnetischen Flußweg
zu bilden oder wurde
versucht, die magnetischen Eigenschaften des
Kernma-terials zu verbessern. Bei der ersten vorgeschlagenen Verbesserung hat sich
jedoch der Nachteil ergeben. daß die Anzahl der Wicklungen auf dem Kern ansteigt,
was zu einem platzraubenden Aufbau führt, und daß Schwierigkeiten infolge eines
magnetischen Streufiusses auftreten. Bei der zweiten Verbesserung ist es praktisch
urmögl ch, ein magnetisches Material zu erhalten, das sowohl für niederfrequente
als auch für hochfrequente magnetische Felder ausgezeichnete magnetische Eigenschaften
zeigt. D.h.,daß obwohl Ferritmaterialien gegenüber hochfrequenten magnetischen Feldern
einen geringen magnetischen Widerstand zeigen, ihre Magnetisierung infolge der Vormagnetisierung
durch den Gleichstromanteil leicht in den Bereich der Sättigung gelangt. Andererseits
zeigen magnetische Metallmaterialien große Wirbelstromverluste bei hochfreventen
magnetischen Feldern, wodurch die Induktivität merklich herabgesetzt wird.
-
Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Induktor
bzw. Transformator geringer Größe zu liefern, der ausgezeichnete magnetische Eigenschaften
für einen Strom zeigt, der aus einem Gleichstrom- und einem Wechselstromanteil besteht.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Induktor bzw. Transformator, der
einen Ferritkern aufweist, der gegenüber hochfrequenten magnetischen Feldern einen
geringen magnetischen Widerstand zeigt und mit einem schmalen Luftspalt versehen
ist, durch einen magnetischen Metallkern gekennzeichnet, der einen geringen magnetischen
Widerstand gegenüber einem magnetischen Gleichstromfeld und einem niederfrequenten
magnetischen Feld zeigt, wobei-beide Kerne lamellenartig angeordnet sind, so daß
sich ein bezüglich des angelegten magnetischen Feldes paralleler magnetischer Flußweg
bildet, und die Wicklung auf die lamellenartig angeordneten Kerne gewickelt ist.
-
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung eine beispielsweise
bevorzugte Ausftihrungsform der Erfindung näher erläutert: Fig. 1 zeigt in einer
perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktors;
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem magnetischen Flußverhältnis
des magnetischen Flusses in den Metallkern und der Größe des Luftspaltes; Fig. 3
zeigt in einem Diagramm die Magnetisierungskurve eines Ferritkernes, in dem ein
Luftspalt vorgesehen ist; Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen
dem magnetischen Widerstand und der Größe des Luftspaltes; Fig. 5 zeigt in einem
Diagramm die Änderung des magnetischen Widerstandes gegenührder Stärke des magnetischen
Gleichstromfeldes; Fig. 6 zeigt in einem Diagramm ein Beispiel für den Frequenzgang
einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktors.
-
Gemäß Fig. 1 besteht ein rechtwinkliger Kern aus einem Ferrit mit
einem geringen magnetischen Widerstand gegenüber hochfrequenten magnetischen Feldern.
Ein anderer rechtwinIiger Kern 2 besteht aus einem magnetischen Material, beispielsweise
aus Eisensilizium mit einem geringen magnetischen Widerstand gegenüber magnetischen
Gleichstromfeldern und niederfrequenten magnetischen Feldern. Der Ferritkern 1 weist
einen schmalen Luftspalt eg im rechtwinkligen Teil auf, der dazu vorgesehen ist,
den magnetischen Widerstand gegenüber magnetischen Gleichstromfeldern herabzusetzen,
und dazu dient eine Sättigung des Ferritkernes 1 durch das magnetische Gleichstromfeld
zu verhindern. Beide rechtwinkligen Kerne 1 und 2 sind Seite an Seite lamelienartig
angeordnet, so daß sich ein paralleler magnetischer Weg bezüglich des angelegten
magnetischen Feldes bildet. In herkömmlicher Weise sind die Wicklungen 3 auf die
lamellenartig angeordneten Kerne 1 und 2 aufgebracht.
-
Die Größe des Luftspaltes l g ändert sich in Abhängigkeit von dem
verwandten Kernmaterial, der Länge des magnetischen Flußweges usw. Dadurch, daß
die Größe des Spaltes auf einen geeigneten Wert festgelegt wird, wird es jedoch
möglich, ein Absinken der magnetischen Permeabilität des Ferritkernes 1 im hochfrequenten
magnetischen Feld zu vermeiden. Wenn die mittlere Länge des magnetischen Flußweges
in jedem Kern mit £ , die magnetische Permeabilität des Ferritkerns 1 mit »1 die
magnetische Permeabilität des Metallkerns 2 mit X2, die Größe des Luftspaltes mit
tg und die Querschnittsfläche des magnetischen Flußweges in jedem Kern mit S bezeichnet
werden, ergibt sich als magnetischer Widerstand des Ferritkernes 1:
und als magnetischer Widerstand des Metallkernes 2:
Wenn der magnetische Fluß, der in den Ferritkern 1 fließt, mit und der magnetische
Fluß, der in den Metallkern 2 fließt, mit bezeichnet werden, ergibt sich unter Bezugnahme
auf den magnetischen Widerstand gegenüber einem magnetischen Gleichstromfluß für
das Verhältnis Q des magnetischen Flusses, der in den Metallkern 2 fließt:
und da >>lg und damit, wenn
Aus Gleichung (4) ergibt sich für den Bereich lg/l l ,in dem das
Verhältnis des magnetischen Gleichstromflusses, der in den Kern 2 fließt, 90% oder
mehr des gesamten magnetischen Flusses erreicht:
Der bevorzugte Bereich lg/l , in dem das Verhältnis des magnetischen Gleichstromflusses,
der in den Kern 2 fließt, mehr als 98% des gesamten Flusses erreicht, ist gegeben
durch:
Wenn die Werte l = 100 mm, 50 mm, µ1 = 10000, 5000, 3000 und 2 = 10000 in die Gleichung
(6) eingesetzt werden, ergeben sich die folgenden Werte für
| µ1 µ2 l(mm) lg(mm) |
| 10000 10000 100 0.48 |
| 5000 10000 100 0.47 |
| 3000 10000 100 0.46 |
| 10000 10000 50 0.24 |
| 5000 10000 50 0.235 |
| 3000 10000 50 0.23 |
D.h., daß unabhängig von den Werten für/A 1 der magnetische Gleichstromfluß nahezu
vollständig in den Metallkern 2 fließt, wenn eg = 0,5 mm oder mehr bei l = 100 mm
und lg = 0,25 mm oder mehr bei e = 50 mm beträgt.
-
In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen dem Flußverhältnis # und mit
x i mit dem Verhältnis zwischen 1 und P 2 als Parameter dargestellt. Aus dieser
Darstellung ergibt sich, daß mehr als 90% des magnetischen Flusses in den Metallkern
2 fließen, wenn die folgenden Beziehungen beispielsweise erfüllt sind:
D.h., daß in Abhängigkeit von der Wahl vont 1 und µ2 der zutreffende Bereich für
x lgbestimmt werden kann.
-
Wenn 1 x lg mit K bezeichnet wird, ergibt sich für die effektive Permeabilität
*el des Ferritkernes 1:
Durch eine Festlegung von und S, die im wesentlichen auf der Außenabmessung des
Kernes beruhen, kann die Induktivität, bei der ,«= 1 im magnetischen Weg ist, aus
t/S erhalten werden, und unter der Annahme, daß die AL-Konstante, d.h. die Induktivität
pro Windungszahl im Bereich maximaler Permeabilität des Ferritkernes 1 liegt, ergibt
sich für die AL-Konstante, um eine notwendige Hochfrequenzinduktivität zu erhalten:
Die Anzahl der Windungen N für die notwendige Induktivität L
ist
gegeben durch L N = - (Windungszahl) A L Zur Festlegung von/£1 x tg/t ist es wünschenswert,
daß der Wert der magnetischen Gleichstromvormagnetisierung so gewählt ist, daß er
im Bereich a der Magnetisierungskurve des Ferritkernes 1 liegt, der in Fig. 3 dargestellt
ist. Dieser Bereich kann sich in Abhängigkeit von den Nagnetisierungskurven der
Kerne 1 und 2 der Länge des magnetischen Weges, der Breite des Luftspaltes und dem
angelegten magnetischen Gleichstromfeld ändern.
-
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Induktivität und der Breite
des Luftspaltes, wobei l= 5 cm, S 0,16 cm2, N x 1DC= 80AT und 150AT sind, und ein
Ferritmaterial mit 1 = 2000 für den Ferritkern 1 und ein Eisensilizium mit ft 2
= 10000 für den Metallkern 2 verwandt wurden. Der Luftspalt lg verhindert eine Sättigung
des Ferritkernes 1 durch das magnetische Gleichstromfeld und damit ein Absinken
der Induktivität.
-
Wenn der Luftspalt tg zu groß ist, verringert sich die effektive Permeabilität
des Ferritkernes 1 in einem für den praktischen Gebrauch nicht verwendbaren Ausmaß.
Wenn insbesondere eine Eisensiliziumplatte usw. mit einer hohen magnetischen Sättigungsflußdichte
als Material für den Kern 2 verwandt wird, nimmt die Permeabilität des Kernes 2
bezüglich eines hochfrequenten Stromes mit einer Frequenz von f = 100 kRz oder mehr
auf unter 10 ab. Daher ist es erforderlich, die Abnahme mit Hilfe eines Ferritkernes
1 mit günstigem Frequenzgang zu kompensieren.
-
Aus Gleichung 7 ist die effektive Permeabilität µel des magnetischen
Kernes 1 gegeben durch:
Daraus ergibt sich der Bereich lg/l für µ el = 50:
Bei e= 100mm, 50 mm und 1 = 10000, 5000 und 3000 werden die in der folgenden Tabelle
aufgeführten Werte für eg erhalten:
| µ1 l lg |
| 10000 100 2 |
| 5000 100 2 |
| 3000 100 2 |
| 10000 50 1 |
| 5000 50 1 |
| 3000 50 1 |
D.h., daß dann, wenn der Wert fürµ1 1 einen bestimmten Wert (1000) iiberschreitet,
el unabhängig vom Wert vonµ1 durch eg bestimmt ist. Unter der Annahme, daß die praktikable
effektive Permeabilitätµel über 50 liegt, ist der Wert für eg kleiner als 2, wenn
l = 100 ist.
-
Damit ergibt sich der bevorzugte Bereich für lg/l aus Gleichung (6)
und (9):
Das bedeutet konkret bei einer mittleren Länge des magnetischen
Flußweges von 1000 mm und bei magnetischen Materialien mit µ1 von einigen Tausend
undµ2 = 10 000: 0,5 # lg # 2 Auf diese Weise stehen der Gleichstrom, die Induktivität
und die Länge des Luftspaltes untereinander in Beziehung, was es möglich macht,
einen geeigneten Wert zu finden.
-
In Fig. 5 ist ein Vergleich mit einem bekannten Induktor dargestellt,
der dieselben Außenabmessungen aufweist, wobei auf der Abszisse N x TDC (AT) und
auf der Ordinate die Induktivität (mH) aufgetragen sind. Die ausgezogenen Linien
zeigen die Arbeitsweise einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktors und
die unterbrochenen Linien die eines bekannten Induktors.
-
Es ergibt sich, daß der bekannte Induktor eine Verringerung der Induktivität
selbst bei einem kleinen magnetischen Gleichstromfeld hervorruft, während die Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Induktors selbst dann eine ausreichend große Induktivität
liefert, wenn ein großes magnetisches Gleichstromfeld angelegt wird.
-
Fig. 6 zeigt den Frequenzgang einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Induktors.
-
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß ein Induktor bzw.
-
Transformator geringer Größe geliefert, der sehr gute Eigenschaften
aufweist und in dem ein Strom fließt, der aus einer Gleichstrom-und aus einer hochfrequenten
Wechselstromkomponente besteht.