DE3221839A1

DE3221839A1 - Sperrwandler

Info

Publication number: DE3221839A1
Application number: DE19823221839
Authority: DE
Inventors: Yasunobu Kumagaya Ogata
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1981-06-19
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1983-03-17
Also published as: US4451876A

Description

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HITACHI METALS, LTD., Tokyo Japan

Sperrwandler

Die Erfindung "bezieht sich auf "Verbesserungen der Betriebseigenschaften eines Sperrwandlers des einen Magnetverstärker als Mittel zum Zuführen einer geregelten Spannung verwendenden Typs.

Eine Form eines solchen Sperrwandlers hat einen Aufbau, wie er in Pig. 1 dargestellt ist. Gemäß Fig. 1 umfaßt der Sperrwandler ein Schaltglied 1, einen Haupttransformator 2 mit einer Primärwicklung 5 und einer Sekundärwicklung 4-, eine Sättigungsdrossel 5_S eine Gleichrichterschaltung 6, einen Konstantspannungs-Steuerkreis 7 und Gleichstrom-Ausgangsklemmen 8a und 8b.

Der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Sperrwandlerschaltung wird nun erläutert.

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Eine Gleichstromspannung wird an der Primärwicklung 3 des Haupttransformators 2 angelegt, und das mit der Primärwicklung 3 verbundene Schaltglied 1 wird ein- und ausgeschaltet, um in der Sekundärwicklung 4 des Haupttransformators 2 eine Impulsspannung zu induzieren. Diese Impulsspannung wird durch die Sättigungsdrossel 5 zur Gleichrichtung durch die Gleichrichterschaltung 6 weitergeleitet, und die erhaltene Gleichspannung tritt an den Ausgangsklemmen 8a und 8b auf. Ein positiver Impulsstrom I^, der durch die Sättigungsdrossel 3 fließt, bewirkt gleichzeitig, daß sich die Sättigungsdrossel 5 an einem Sättigungspunkt A auf der in Fig. 4a gezeigten B-H-Kurve sättigt, und die Magnetisierung kehrt, wenn der Strom i/, auf Null verringert wird, auf einen Punkt Br zurück. Durch die Wirkung des Steuerkreises 7 ändert sich der Wert eines negativen Impulsstromes ip angenähert in umgekehrt proportionaler Beziehung zur Gleichstrom-Ausgangseinstellspannung. Dieser negative Impulsstrom ig ist also der Steuerstrom, und mit dem Anwachsen des Wertes dieses Steuerstroms wandert der Rückstellpunkt allmählich von einem Punkt B zu einem Punkt C. Der Scheinwiderstand der Sättigungsdrossel 5 ist maximal, und der Spannungsabfall an dieser ist ebenfalls maximal, wenn der Betrieb zwischen den Punkten 0 und A bei einem hohen Wert von i₂ wiederholt wird. Der in Fig. 1 gezeigte Sperrwandler wird daher Magnetverstärkertyp genannt, da der Spannungsabfall an der Sättigungsdrossel 5 durch, den Steuerstrom ig geändert wird, um die Gleichstrom-Ausgangsspannung konstant zu halten.

Ein wichtiges Problem bei der Auslegung des Sperrwandlers des Magnetverstärkertyps ist die Auswahl des Materials des Kerns der Sättigungsdrossel 5· Die Anforderungen an das Material sind u. a. , daß (i) die Remanenz Br in Fig. 4a groß ist, (ii) die Koerzitivkraft Hc klein ist und (iii) die Dicke der Drossel so gering wie möglich ist. Bisher

wurde bevorzugt "Permalloy", das 50 % Nickel und_; 50 % Eisen . enthält., als typisches-, die obigen Anforderungen erfüllendes Material.verwendet. Ein ringförmiger Kern wird;durch eine spiralförmig gewickelte- Länge 9 aus einem solchen "Permalloy"-Band von etwa 25 /um Dicke vorgesehen, wie. in Fig.. 2 gezeigt ist. Bevor das "Permalloy"-Band zur Ringform gewickelt wird, überzieht man die Oberfläche des "Permalloy"-Bandes s. B. durch Kataphorese mit MgO, da der Kern nachher bei einer hohen Temperatur..von etwa 1OQO⁰C in der !spiralförmig gewickelten "Form wärmebehandelt wird. Das.MgO wirkt im Endzustand als Isolator, der eine Isolation zwischen den überlappenden Schichten des spiralförmig gewickelten "Permalloy"-Bandes ergibt, wodurch der Wirbelstromverlust des ,Kerns der Sättigungsdrossel während des Hochfrequenzbetriebs verringert wird. Der Kern wird in einer Ringspule 10, wie ;ui._:F_;-ig. 3 gezeigt, untergebracht, so daß die während des Bewiekeins mit einem Wicklungsleiter 11 erzeugte Beanspruchung nicht direkt auf den Kern einwirkt. Gemäß der B-H-Kurve .12 des Materials dieser Art ist die Koerzitivkraft Hc = 0,1 Oe, wie Fig. 4a zeigt, und das Material ist praktisch ausreichend.bis zu einer -Frequenz von etwa einigen kHz brauchbar. Mit-dem Anstieg der Frequenz bis zu etwa, einigen zehn kHz .bis zu einigen hundert kHz wächst jedoch der Kernverlust übermäßig, und es war nicht möglich, einen übermäßigen Temperaturanstieg des Kerns zu verhindern. Weiter wurde es schwierig, den Wirbelstromverlust außer acht zu lassen, und man benötigte dann unbedingt dieses Material mit einer sehr geringen Dicke ' von weniger als 15 /um. Infolgedessen ergab sich nicht nur eine ausgeprägte Schwierigkeit der Handhabung des Materials beispielsweise während der Wärmebehandlung, sondern es wurde auch eine erhebliche Steigerung der Materialkosten unvermeidlich.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» diese Beschränkung beim Stand der Technik zu überwinden und einen neuen und verbesserten Sperrwandler des Magnetverstärkertyps zu entwickeln, bei dem kein merklicher Temperaturanstieg auftritt und der sich leicht fertigen läßt.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Sperrwandler des Magnetverstärkertyps mit einem Schaltglied, das in Reihe mit einer Primärwicklung eines periodisch ein- und auszuschaltenden Transformators verbunden ist, einer Sättigungsdrossel, die in Reihe mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, einer Gleichrichterschaltung, die in Reihe mit der Sättigungsdrossel verbunden ist, und einem Steuerkreis, der einen Strom der Sättigungsdrossel zur Konstanthaltung einer an den Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung auftretenden Gleichstrom-Ausgangsspannung steuert, mit dem Kennzeichen, daß der Kern der Sättigungsdrossel aus amorphem metallischen Magnetmaterial besteht, dessen Banddicke im Bereich von 4- bis 60 yum liegt.

Vorzugsweise hat das amorphe metallische Magnetmaterial eine durch MaM'bXc ausgedrückte Zusammensetzung, worin M Fe und/oder Co, M¹ ein metallisches Element außer Fe und Co, X ein nichtmetallisches Element bedeuten und die Bedingungen a Ir 50, b ü 30, c = 30 bei a + b + c = 100 gelten, welche Angaben a, b und c Atomprozent bedeuten.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Sperrwandlers, der allgemein bekannt ist;

- 7

pig. '2 ' eine Perspektivdarstellung eines,-bekannten ^: " '■'"'" Kerns ; ^; ... . . .... ...,.,-

Fig. 3 eine Perspektivdarstellung einer bekannten Sättigungsdrossel; . ,,_: ,. -.

i*ig. 4a die B-H-Kurve des bekannten Kernmaterials;

-■; --:.■■ jig;- 4^- die B-H-Kurve des.Kerns aus dem erfindungs-

gemäß verwendeten amorphen metallischen Magnetmaterial; . --.-■"-.-'.: ν■ "-,

Fig· 5 ein Diagramm zur Darstellung des Temperatur- · ' " anstiegs gegenüber dem Zeitverhalten des erfindungsgemäß verwendeten Materials im Vergleich zu dem des bekannten Materials; und -.-,.,.--

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Temperaturanstiegs gegenüber den Dickeneigenschaften des beim Sperrwandler gemäß der Erfindung verwendeten Materials. . - ■- .-.,- --.-

Es werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben. . . ■

Beispiel Λ

Fig. 4b zeigt die B-H-Kurve 13 des beim Sperrwandler gemäß der Erfindung verwendeten amorphen metallischen Magnetmaterials. Die Zusammensetzung des amorphen Materials ist eine als FeOrSiB-Reihe ausgedrückte Verbindung, und das Material hat eine Banddicke von 25 yum. Man erkennt aus einem Vergleich zwischen Fig. 4-a und 4b, daß, wenn das amorphe metallische Magnetmaterial einer solchen Dicke als das Material des Kerns

der Sättigungsdrossel verwendet wird, seine Koerzitivkraft Hc im Vergleich mit der des 50 % Ni enthaltenden "Permalloys" sehr gering ist, so daß ein erheblich verringerter Kernverlust zu erwarten ist. Das Verfahren zur Bildung des Kerns des hier sog. amorphen metallischen Magnetmaterials ist derart, daß eine Schmelze der obigen Zusammensetzung auf die Oberfläche einer einzelnen Walze oder doppelter Walzen geschleudert wird, die mit hoher Drehzahl rotiert bzw. rotieren, und die Schichten einer raschen Abkühlung unterworfen werden, wodurch man unmittelbar eine Spiralform erhält, wie sie in Fig. 2 erkennbar ist. Obwohl es dann erforderlich ist, die Spirale aus dem amorphen Magnetmaterial einer Wärmebehandlung in der Gegenwart oder Abwesenheit eines Magnetfeldes zu unterwerfen, liegt die Temperatur der Wärmebehandlung im Bereich von 300⁰C bis höchstens 500⁰O und ist daher im Vergleich mit der für die Wärmebehandlung der 50 % Ni enthaltenden "Permalloy"-Legierung sehr niedrig. Daher ist die bisher zum Verhindern einer Schmelzbindung der Schichten des 50 % Ni-"Permalloy" erforderliche Zwischenisolierschicht unnötig. Jedoch kann eine Isolierschicht zum Senken des Wirbelstromverlustes zwischen den Schichten des amorphen metallischen Magnetmaterials vorgesehen werden. Im Pall des amorphen metallischen Magnetmaterials ist die Zwischenisolierschicht oft unnötig, da die Oberfläche dieses Materials gewöhnlich während des Schritts der raschen Abkühlung und nachfolgenden Erstarrung etwas oxidiert ist. Schließlich wird, wie beim bekannten Kern, der Kern aus dem amorphen metallischen Magnetmaterial in einer ringförmigen Spule 10, wie in Fig. 3 gezeigt, eingeschlossen, und man umwickelt sie mit einem Wicklungsleiter 11, um die Sättigungsdrossel fertigzustellen. Der Kern aus dem Material gemäß der Erfindung ist gegenüber einer Beanspruchung im Vergleich mit dem bekannten nicht so empfindlich, so daß das gesamte Zusammenbauverfahren einschließlich des Schrittes des Ein-

^Γ"^:-^:' · schließeris des Korns in dor ri einförmigeη ^pul® -'und dor. " " ' ' Scnrlttes deren Bewicklung, mit dgm Leiter -s ohr eixifach

'■ Pig. 5 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei .dem- der

- Sperrwandler mit einer Schalt frequenz von 50kHz ."betrieben wurde und die Ober^ächentempersdnir der, Sättigungsdrossel

■ - gerneSSeii"wurde· .Die gestrichelte Kurve ^14/in iFigi,. 5" zeigt ^:"' ^:: de^:n Temperaturanstieg an der Oberfläche der: :deii Kern aus ' dem bekannten 50 % Ni-nPermalloy" einschließenden.Hingspule, und'die ausgezogene Kurve 15 zeigt denjenif^n des Kerns aus dem erfindungsgemäß verwendeten amorphen metallischen Magnet-

- material. Die Banddicke war in jedem Pail 25 ^um* Man sieht aus Pig. 5 ohne weiteres, daß,, während das 50^: % Ni -"Permalloy" gemäß dem Stand der Technik einen großen_:Oberflädhentemperaturanstieg von mehr als etwa 4-O⁰C in etwa 10 min .zeigte , der

■"Temperaturanstieg des erfindu rgsgemaß verwendeten "amorphen metallischen Magnetmaterials nur etwa 1/2 bis 1/3 des bekannten ■Wertes betrug. Einer der hauptsächlichen Gründe hierfür ist, "daß die" Koerzitivkraft Hc des amorphen metallischen Magnetmaterials 0,02 Oe ist, was nur etwa 1/5 des, bekannt-en Wertes ist, wie man aus der B-H-Kurvetfur das amorphe .metallische "Magnetmaterial erkennt, die in Fig. 4b gezeigt-ist.-Ein ^anderer Hauptgrund ist, daß der spezifische ,elektrische Widerstand des amorphen metallischen Magnetmaterials' 130 χ • ■ 10 -\fl · cmj ist, welcher Wert mehrfach-so hoch wie der ■ 'des 50 %' Ni-"Permalloy" ist, und noch ein weiterer Hauptgrund ist, daß die dünne, auf der Oberfläche■des amorphen metallischen Materials gebildete Oxidschicht im gewickelten "Kern als Isolierschicht wirkt, wodurch der Wirbelstromverlust beträchtlich verringert wird.

Pig. 6 zeigt die Ergebnisse einer Messung des Oberflächentemperaturanstiegs der Sättigungsdrossel, wenn die Dicke des

amorphen metallischen Magnetmaterials der beschriebenen Zusammensetzung geändert wurde. Man ersieht aus Fig. 6, daß der Temperaturanstieg wächst, wenn die Dicke des Materials übermäßig klein oder übermäßig groß ist. Dies ist der Fall, da eine übermäßig große Dicke nicht nur zu einer unerwünschten Verschlechterung der Qualität des amorphen metallischen Magnetmaterials selbst, sondern auch zu einem erhöhten Wirbelstromverlust führt. Auch wenn eine übermäßig geringe Dicke benötigt oder verwendet wird, trifft man auf eine erhebliche Schwierigkeit zur Ausbildung des Bandes mit gleichmäßiger Dicke, und die Koerzitivkraft Hc wächst schroff an. Aus diesen Ergebnissen ersieht man, daß der geeignetste Dickonbereich von 4- bis 60 yum ist, wenn das amorphe metallische Magnetmaterial zur Bildung des Kerns der Sättigungsdrossel verwendet wird.

Beispiel 2

Ein amorphes metallisches Magnetmaterial der Zuaammensetzung (⁰⁰O 96 ^^e0 0^^78^Si13^B9 ^¹^*^{3 zur} Bildung des Kerns der Sättigungsdrossel wie im Fall des Beispiels 1 verwendet. Die Koerzitivkraft Hc dieses Materials war 0,01 Oe, was nur etwa 1/10 des Wertes nach dem Stand der Technik war, und der spezifische elektrische Widerstand des Materials war 130 χ 10"⁶C^-. cm] . Dies zeigt, daß der Oberflächentemperaturanstieg der Sättigungsdrossel auf weniger als etwa 1/4 derjenigen nach dem Stand der Technik verringert werden kann.

Beispiel 3

Ein amorphes metallisches Magnetmaterial der Zusammensetzung Fer^Ni^Si^ß^ wurde zur Bildung des Kerns der Sättigungsdrossel wie im Fall des Beispiels 1 verwendet. Die Koerzitivkraft Hc dieses Materials war 0,02 Oe, was etwa 1/5 des be-

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kapnten Wertes war,: und der spezifische, elektrische Wider-.Stand. des Materials war 13_:0_:x. 10 L^- · cm J . "Dies zeigt, ■ daß der ,Obe.rfläctLentemperaturaiastieg: der Sättigiingsdrossel auf. weniger als etwa 1/3 desjenigen der. bekannten gesenkt werden kann. · . - : . ; "

Aus der vorstehenden Beschreibung einiger bevorzugter Aus-.führungsbeispiele ist ersichtlich, daß.durch.die Verwendung des.amorphen metallischen,Magnetmaterials gemäß der Erfin-,dung der Temperaturanstieg der-Sättigungsdrossel·erheblich niedriger gehalten werden kann, so daß ein Sperrwandler des Magnetverstärkertyps erhältlich ist, der mit hoher Verläßlichkeit und hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Claims

BEETZ & PARTNER *..*♦·* *..* '..'PafenfaiWalte Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 European Patent Attorneys
Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 _R
Telex 5 22 048 - Telegramm Allpat München _Qr __{|ng R}
-^ 78SP Dr,lng.W.TIMPE
jj./öil? Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED
Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W.
SCHMITT-FUMIAN Dipl.-Ing. K.
LAMPRECHT 11981
9. Juni 1982

Patentansprüche

1. Sperrwandler des Magnetverstärkertyps mit

einem Schaltglied (1), das in Reihe mit einer Primärwicklung (3) eines periodisch ein- und auszuschaltenden Transformators (2) verbunden ist,

einer Sättigungsdrossel (5), die in Reihe mit einer Sekundärwicklung (4-) des Transformators (2) verbunden ist, einer Gleichrichterschaltung (6), die in Reihe mit der Sättigungsdrossel (5) verbunden ist, und einem Steuerkreis (7)» der einen Strom der Sättigungsdrossel (5) zur Konstanthaltung einer an den Ausgangsklemmen (8a, 8b) der Gleichrichterschaltung (6) auftretenden Gleichstrom-Ausgangsspannung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) der Sättigungsdrossel (5) aus amorphem metallischen Magnetmaterial besteht, dessen Banddicke im Bereich von 4- bis 60 yum liegt.

2. Sperrwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das amorphe metallische Magnetmaterial eine durch MaM'bXc

ausgedrückte Zusammensetzung hat,

81-(A 6583-02)-TWa

worin M Fö und/oder Oo,

M' ein metallisches Element außer Fe und Co, X ein nichtmetallisches Element bedeuten und die Bedingungen a ^ 50, b έ 30, c ύ 30 bei
a + b + c = 100 gelten.