DE2707211A1

DE2707211A1 - Induktives bauelement und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2707211A1
Application number: DE19772707211
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Boll
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1977-02-19
Filing date: 1977-02-19
Publication date: 1978-08-24
Also published as: DE2707211C2

Description

Induktives Bauelement
und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einem ferromagnetischen Kern sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Induktive Bauelemente mit Magnetkernen finden in der Elektrotechnik, insbesondere als Drosseln, Übertrager, Wandler für Fehlerstromschutzschalter und Impulstransformatoren, einen breiten Anwendungsbereich. Üblicherweise bestehen diese Bauelemente aus Magnetkernen mit einer Drahtwicklung. Die Magnetkerne selbst bestehen meistens aus gewickelten Bändern, geschichteten Blechen oder geklebten Blechpaketen aus einem weichmagnetischen Werkstoff.
Die einzelnen Bänder beziehungsweise Kernbleche sind dabei gegeneinander isoliert. Ferner sind induktive Bauelemente bekannt, die einen Magnetkern aus gesintertem Ferritpulver oder Masse-Eisenpulver besitzen (H. Reinboth: "Technologie und Anwendung magnetischer Werkstoffe" 2. Aufl., Berlin 1963, Seiten 174, 190 und 203).
Die bisherige Bewicklung von Magnetkernen, beispielsweise mit isolierten Kupferdrähten, hat den Nachteil, daß sie in einem zusätzlichen, verhältnismäßig aufwendigen Fertigungsschritt ausgeführt werden muß. Lediglich bei Verwendung von gewickelten Schnittbandkernen oder von zweiteiligen Blechpaketen kann durch das Aufschieben vorgefertigter, mit Draht bewickelter Spulenkörper eine gewisse Vereinfachung der Fertigung erzielt werden, die jedoch -ganz abgesehen vom Bewickeln der Spulenkörper - wegen der erforderlichen Trennflächenbearbeitung und des ferner erforderlichen genauen Zusammenfügens der beiden Kernhälften mit Spannbändern immer noch sehr aufwendig ist (H. Reinboth: "Technologie und Anwendung magnetischer Werkstoffe" 2. Aufl.,'Berlin 1963, Seite 188).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein induktives Bauelement der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, daß eine Bewicklung mit Draht in einem eigenen Arbeitsgang nicht mehr erforderlich ist.
Außerdem soll ein Verfahren angegeben werden, Kern und Wicklung eines derartigen induktiven Bauelementes kontinuierlich zu fertigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein induktives Bauelement erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß es aus einem Mantelrohr aus einem magnetischen Werkstoff und mindestens einem elektrisch leitenden, innerhalb des Mantelrohres angeordneten Draht besteht, der gegenüber dem Mantelrohr und bei mehreren Drähten auch gegenüber diesen durch ein pulverförmiges Material isoliert ist, wobei jeweils ein Stück der Drahtenden von dem umhüllenden Mantelrohr und der Isolierung freigelegt ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung gelingt es in überraschend einfacher Weise, ein induktives Bauelement bereitzustellen, das neben dem Kern in Form eines Rohres bereits die Bewicklung enthält.
Insbesondere aufgrund der günstigen Isolierung zwischen dem Mantelrohr und der innerhalb dieses Mantelrohres liegenden Bewicklung eignet sich dieses Bauelement auch für Hochspannungsanwendungen.
Die einfachste Ausführungsform des erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes besteht aus einem Mantelrohr und einem einzigen innerhalb dieses Mantelrohres in einem Isolationsmaterial eingebetteten elektrisch leitenden Draht, dessen Enden für die Anschlüsse vom Mantelrohrmaterial und der Isolierung befreit sind.
Bei Bauelementen mit mehreren Drähten können die an ihren Enden von dem Mantelrohrmaterial und der Isolierung befreiten Drähte sowohl als Primär- als auch als Sekundärleiter beziehungsweise -windung verwendet werden, wobei vorteilhafterweise zur Erhöhung der Windungszahl auch mehrere Drähte elektrisch derart hintereinander geschaltet werden können, daß sie das Mantelrohr umschlingen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, als Material für das Mantelrohr eine Legierung auf Nickel-Eisen-Basis zu verwenden, die etwa 30 bis 82 Ges.% Nickel enthält. Besondere eignet sich wegen ihrer hohen Permeabilität eine Nickel-Eisen-Legierung, die 68 bis 82 Gew.% Nickel, 0 bis 15 Ges.* Kupfer, 0 bis 6 Gew.% Molybdän, 0 bis 6 Ges.* Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisengehalt mindestens 9 Ges.* beträgt. Aber auch magnetische Materialien anderer Zusammensetzung, wie beispielsweise weichmagnetische Legierungen hoher Sättigung auf der Basis von Kobalt und Eisen oder magnetisch halbharte Legierungen, wie sie zum Beispiel aus der DT-OS 24 31 874 und der DT-OS 24 37 921 bekannt sind, können je nach Anwendungsfall als Werkstoff für das Mantelrohr infrage kommen.
Die innerhalb des Mantelrohres liegenden Drähte können vorteilhaft aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, zum Beispiel aus Kupfer oder Aluminium, bestehen. Für die allseitige Isolierung der Innenleiter gegenüber dem Mantelrohr kann vorzugsweise verdichtetes, pulverförmiges Metalloxid verwendet werden. Als besonders vorteilhaftes Isolationsmaterial hat sich wegen des hohen Isolationswiderstandes und seiner Hochtemperaturfestigkeit Magnesiumoxid erwiesen. Der Isolationswiderstand dieses Materials beträgt bei Raumtemperatur mehr als 100 Mn/m.
Da jedoch der Isolationswiderstand von Magnesiumoxid und auch von anderen verwendbaren Metalloxidpulvern schon von kleinsten Feuchtigkeitsgehalten um Größenordnungen herabgesetzt wird, ist es bei dieser Isolationsart notwendig, an den Enden des Mantelrohres einen feuchtigkeitsdichten Abschluß vorzusehen. Besonders wirksam läßt sich die Aufnahme von Feuchtigkeit an den Rohrenden durch Verguß mit einer Kunststoffmasse verhindern, wobei lediglich noch die jeweiligen Anschlüsse aus der Vergußmasse herausragen. Man erhält somit kompakte und mechanisch unempfindliche Bauelemente.
Mit Vorteil können aber auch andere pulverförmige Isolationsmaterialien verwendet werden, wie zum Beispiel Ferritpulver, wenn es einen hohen elektrischen Widerstand aufweist.
Vorzugsweise kann ein induktives Bauelement gemäß der Erfindung derart hergestellt werden, daß zunächst in ein Mantelrohr aus einem magnetischen Werkstoff mindestens ein durch pulverförmiges oder pulverisierbares Material isolierter, elektrisch leitender Draht eingesetzt, das Mantelrohr an den Enden verschlossen und dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen wird, daß von dem so erhaltenen langgestreckten Körper ein Stück abgetrennt wird und dann für die Anschlüsse an den Enden dieses Stückes das umhüllende Mantelrohr und die Isolierung entfernt werden.
Ein solches induktives Bauelement läßt sich auf ähnlichem Wege herstellen wie die bereits bekannten koaxialen mineralisolierten Mantelthermoelemente und Mantelheizleiter (vgl. beispielsweise DT-AS 24 54 620). Bei diesen mineralisolierten Leitungen hat der Mantel allerdings die Funktion, den oder die Innenleiter gegen äußere Einflüsse, wie Verzunderung, Oxidation oder Korrosion zu schützen.
Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauelementes, jeweils im Längs-und Querschnitt.
Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes im Längsschnitt.
Fig. 6 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 5 in perspektivischer Darstellung.
Fig. 7 zeigt eine Magnetisierungskurve für ein induktives Bauelement nach den Fig. 5 und 6 bei 50 Hz.
Zur Herstellung eines induktiven Bauelementes nach Fig. 1 und 2 wird beispielsweise in ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 19 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm aus einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 77 ffi Nickel, 4,5 % Kupfer, 3,5 ffi Molybdän, Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen und üblichen verarbeitungsbedingten Zusätzen ein Kupferdraht von 3,5 mm Durchmesser eingezogen. Dann werden die Zwischenräume mit puIverförmigem Magnesiumoxid gefüllt. Diese Anordnung wird anschließend in mehreren Bearbeitungsschritten, die aus Querschnittsverringerungen von maximal 40 % und zwischengeschalteten Rekristallisationsglühungen bei 8000C bestehen, auf einen Außendurchmesser von beispielsweise 6 mm bei einer Wandstärke des Mantels von 0,5 mm gebracht. Der eingebettete Draht hat nach der Bearbeitung einen Durchmesser von etwa 1,4 mm. Von dem so erhaltenen langgestreckten Körper wird ein Abschnitt von etwa 1000 mm Länge abgetrennt und beidseitig je 20 mm Umhüllungsrohr entfernt. Durch Beseitigung der Magnesiumoxidmasse wird dann zu Anschlußzwecken der Kupferdraht freigelegt.
Ein derart hergestelltes induktives Bauelement ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt, wobei mit 1 das Mantelrohr, mit 2 der einzige Kupfer-Innenleiter und mit 3 das pulverförmige Isolationsmaterial bezeichnet sind. Das Bauelement stellt eine sogenannte Einleiterdrossel dar, die zum Beispiel im Lastkreis von Thyristoren verwendet werden kann, um beim Ein- und Ausschalten schädliche Überlastungen des Thyristors zu vermeiden. Bisher wurden hierzu meistens Ringbandkerne über die entsprechenden Stromleiter geschoben und zu Säulen aufeinandergestapelt.
Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes induktives Bauelement hat aufgrund seiner langgestreckten Kernform erhebliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Ringbandkernen, insbesondere bezüglich des Induktivitätsfaktors, des sogenannten AL-Wertes, der die Induktivität für eine Kernwindung angibt. In der Formel für den AL- - Wert AL = zur zur kommt es nämlich bei gleichem Magnetinaterial maßgeblich auf den Formfaktor C1 an, der das Verhältnis von effektivem Kernquerschnitt A zur mittleren Eisenweglänge 1 angibt. Ein Vergleichse in beispiel soll dies verdeutlichen: Ein als Einleiterdrossel ausgeführtes induktives Bauelement gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel hat folgende Mantelrohrabmessungen: äußerer Durchmesser 6 mm innerer Durchmesser 5 mm Länge 1000 mm.
2 Aus diesen Werten ergibt sich mit A = 5 cm und 1 = 1,7 cm e in der Formfaktor C1 zu 2,9 cm.
Ein Ringbandkern der Banddicke 0,5 mm mit gleichem Formfaktor C1 müßte bei gleichem Innendurchmesser von 5 mm und einer Kernhöhe von 100 mm einen äußeren Durchmesser von 106 mm aufweisen. Um einen Ringbandkern dieser Abmessung herzustellen, wären etwa 7,6 kg Magnetmaterial nötig. Das wäre aber der über 100-fache Materialverbrauch verglichen mit der beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes, die mit lediglich 73 g Magnetmaterial herzustellen ist.
Zum Test unter dynamischer Beanspruchung wurden auf eine 1000 mm lange Einleiterdrossel gemäß vorstehendem Ausführungsbeispiel bipolare Spannungsimpulse von etwa 0,3s Anstieg gegeben. Die Induktivität L wurde dabei in Abhängigkeit von der Magnetisierungsgeschwindigkeit dB/dt und der Stromsteilheit di/dt gemessen. Die Meßwerte sind iür verschiedene eingestellte Spannungen U in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1 eingestellte Spannung U di/dt dB/dt L (V) (A/s) (mT/ys) (H) 5 0,55 10 9,1 10 1,2 20 8,3 20 2,6 40 7,7 50 9,3 100 5,3 100 25 200 4,0 Die Meßergebnisse zeigen, daß es mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten induktiven Bauelement möglich ist, auch bei hoher dynamischer Beanspruchung di/dt Induktionswerte zu erreichen, wie sie für Drosseln zum Schutz von Thyristoren in Halbleiterschaltungen benötigt werden.
Bei entsprechender Bemessung der Länge und der magnetischen Kennwerte kann ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Einleiterbauelement unmittelbar als eine mit Induktivität versehene Verbindungsleitung verwendet werden.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsform des induktiven Bauelementes kann entsprechend dem Bauelement nach Fig. 1 und 2 jedoch mit vier Drähten aus Kupfer hergestellt werden.
Bei einem Mantelrohrabschnitt von zum Beispiel 60 mm Länge sind beidseitig zum Beispiel je 20 mm des Umhüllungsrohres 11 entfernt und durch Beseitigung eines entsprechenden Teils der Magnesiumoxidmasse 16 die vier Kupferdrähte 12, 15, 14 und 15 freigelegt worden. Ein derartig ausgestaltetes Bauelement kann beispielsweise als Differenzstromwandler für Fehlerstromschutzschalter verwendet werden. Dabei können die drei Drähte 12, 13 und 14 als Hin-, Rück-und Nulleiter benutzt werden, während der vierte Draht 15 die Sekundärwicklung des Wandlers darstellt, der dann bei Auftreten eines Fehlerstromes über ein Relais die automatische Abschaltung des Stromkreises auslösen kann.
Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit einer Sekundärwicklung aus zwei Windungen. Beispielsweise durch Verlöten mit einem weiteren Drahtstück sind die beiden Drähte 24 und 25 zu einer Sekundärwicklung mit zwei Windungsschleifen hintereinandergeschaltet.
Mit 22 und 23 sind die Primärleiter, mit 21 das Mantelrohr und mit 26 das Isolationsmaterial bezeichnet. Durch das llintereinanderschalten der Drähte 24 und 25 wird es möglich, die Auslösespannung des Sekundärkreises zu erhöhen. Bei einer Frequenz von 50 Hz ist die Magnetisierungskurve eines solchen induktiven Bauelementes gemessen worden. Der Verlauf der in der Fig. 7 dargestellten Kurve zeigt, daß die Induktion bei Strömen zwischen 200 und 500 mA schon nahezu ihren Sättigungswert erreicht.
Infolge der noch verhältnismäßig großen Wanddicke des Mantelrohres von 0,5 mm bewirken beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die beim Magnetisieren mit einem Wechselfeld auftretenden Wirbelströme eine Erniedrigung der wirksamen Permeabilität, beziehungsweise des erreichbaren Induktionswertes. Eine Reduzierung der Wandstärke des Mantelrohres würde daher noch zu einer Verbesserung der Magnetwerte führen. Über eine Lamellierung der Mantelrohre ist ein Weg gegeben, zu einer weiteren Erniedrigung der Wirbelstromverluste zu kommen. Statt eines Mantelrohres müßten dabei mehrere konzentrische, gegeneinander isolierte Rohre geringerer Wandstärke verwendet werden.
Zur Verringerung der Koerzitivfeldstärke, beziehungsweise zur Erhöhung der Maximalpermeabilität des Mantelrohrmaterials wurden 10 cm lange Abschnitte mehrstündig in einem Temperaturbereich zwischen 800 und 10500C in Wasserstoffatmosphäre geglüht. Die gemessenen Werte für die Koerzitivfeldstärke sind in Abhängigkeit von den jeweils gewählten Glühbedingungen in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2

Glühung Koerzitivfeldstärke

Zeit Temperatur

(h) (°C) (mA/cm)

2 800 170

2 900 115

2 1000 100

4 1050 70.. .80

Eine Koerzitivfeldstärke von etwa 75 mA/cm wurde dabei nach einer vierstündigen Glühung bei 10500C erreicht. Noch niedrigere Koerzitivfeldstärken sind durch ein Mantelrohrmaterial zu erhalten, dessen magnetische Eigenschaftswerte unempfindlicher gegen Verspannungseinflüsse sind. Die Verspannungen entstehen durch die radiale Druckbeanspruchung des verpreßten Isolationspulvers und beeinflussen aufgrund der Magnetostriktion die magnetischen Eigenschaften.
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement ist nicht auf die genannten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann beispielsweise bei einem kurzen Bauelement mit mehreren in das Isolationsmaterial eingebetteten Drähten auch ein Draht aus einem permanentmagnetischen Material bestehen. Mit einem derartigen Draht kann auf einfache Weise eine Vormagnetisierung des Mantelrohrmaterials erreicht werden. Die damit verbundene Verschiebung der Hystereseschleife des Mantelrohrmaterials hat insbesondere dann einen günstigen Einfluß, wenn es auf die Übertragung von unipolaren Impulsen und auf einen hohen Induktionshub ankommt.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e t.jInduktives Bauelement mit einem ferromagnetischen Kern, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Mantelrohr (1) aus einem magnetischen Werkstoff und mindestens einem elektrisch leitenden, innerhalb des Mantelrohres (1) angeordneten Draht (2) besteht, der gegenüber dem Mantelrohr (1) und bei mehreren Drähten auch gegenüber diesen durch ein pulverförmiges Material (3) isoliert ist, wobei jeweils ein Stück der Drahtenden von dem umhüllenden Mantelrohr (1) und der Isolierung (3) freigelegt ist.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Drähten (22, 23, 24, 25) mindestens zwei Drähte (24, 25) hintereinander geschaltet sind.
3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) aus einer Legierung auf Nickel-Eisen-Basis besteht, die etwa 30 bis 82 Gew.% Nickel enthält.
4. Induktives Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, die 68 bis 82 Ges.* Nickel, 0 bis 15 Gew. Kupfer, 0 bis 6 Gew.% Molybdän, 0 bis 6 Gew.% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisengehalt mindestens 9 Ges.* beträgt.
5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Mantelrohres (11) liegenden Drähte (12, 13, 14, 15) aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen.
6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (16) aus verdichtetem Metalloxidpulver besteht.
7. Induktives Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxidpulver Magnesiumoxid ist.
8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es bis auf die Anschlüsse mit Kunststoff umhüllt ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in ein Mantelrohr aus einem magnetischen Werkstoff mindestens ein durch pulverförmiges oder pulverisierbares Material isolierter, elektrisch leitender Draht eingesetzt, das Mantelrohr an den Enden verschlossen und dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen wird, daß von dem so erhaltenen langgestreckten Körper ein Stück abgetrennt wird und dann für die Anschlüsse an den Enden dieses Stücks das umhüllende Mantelrohr und die Isolierung entfernt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die querschnittsverringernde Bearbeitung in mehreren Schritten erfolgt und zwischen diesen Schritten Rekristallisationsglühungen vorgenommen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Koersitivfeldstärke des Mantelrohrmaterials eine mehrstündige Schlußglühung in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird.