DE3415435C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ringbandkern aus einer amorphen magnetischen Legierung
und
die Verwendung eines solchen Ringbandkerns für eine Drosselspule.
Aufgrund der jüngsten Entwicklung elektronischer Geräte nahm
die Verbreitung schaltender Leistungsversorgungseinrichtungen
ständig zu. Als Folge davon fanden in weiten Bereichen Ausgangs-
Glättungsdrosseln und Rauschfilter Verwendung.
Gewöhnlich für schaltende Leistungsversorgungseinrichtungen verwendete
Drosseln haben eine Induktivität, die von einem niedrigen
bis zu einem hohen Strom im wesentlichen konstant ist. Sie zeigen
damit nachteilig einen Ausgangs-Spannungsanstieg bei einem niedrigen
Strom bei praktisch keiner Belastung. Um diesen Nachteil
zu überwinden, wird im allgemeinen eine geeignete Last mit der
Drosselspule verbunden, um dieser ständig einen Strom auf einem bestimmten
Pegel zuzuführen.
Es wurde vorgeschlagen, bei einem magnetischen Kern mit einem
Spalt in der Nähe dieses Spaltes ein Element mit einer hohen
Permeabilität vorzusehen, so daß eine
Drosselspule mit einem solchen Magnetkern eine L-förmige, bei einem niedrigen Strom erhöhte
Induktivitäts-Kennlinie zeigt. Ein derartiger Magnetkern
weist jedoch im Bereich zwischen einem bestimmten Ausgangsstrompegel und
seinem Sättigungsstrompegel eine im wesentlichen
konstante niedrige Permeabilität auf. Zusätzlich nimmt die
Permeabilität eines derartigen Magnetkerns bei einem niedrigen
Strompegel ab.
Ein magnetischer Kern zur Anwendung in einer Drosselspule sollte
jedoch eine Permeabilität aufweisen, die langsam abnimmt, wenn der an
die Spule angelegte Strom ansteigt, da eine derartige Permeabilitäts-Charakteristik
es praktisch unnötig macht, der
Drosselspule ständig Strom zuzuführen. Der oben beschriebene Magnetkern,
dessen Permeabilität rasch abfällt,
wenn der Strom einen bestimmten Pegel übersteigt, zeigt
damit nicht das für die Verwendung in Drosselspulen gewünschte
Verhalten.
In letzter Zeit wurde die Verwendung von amorphen Magnetkernen
für Drosseln vorgeschlagen. Die offengelegte japanischen
Patentanmeldungen Nr. 57-82 454 und 57-83 005 zeigen Wickelkerne
aus einer amorphen Fe-Ni-Si-B-Legierung bzw. einer amorphen
Fe-Co-Si-B-Legierung. Diese amorphen Wickelkerne weisen jedoch
Permeabilitäten auf, die bei Ansteigen eines magnetischen Feldes
rasch abfallen. Dieses Verhalten ist bei Verwendung in
Drosselspulen für Rauschfilter und Ausgangs-Glättungselemente
nicht geeignet. Um diesen Effekt zu beseitigen, wurde der Drosselkern
mit einem Spalt versehen. Das führt jedoch zu einer
Erniedrigung der Permeabilität des Kerns bei einem niedrigen
Strom.
In der DE-OS 25 46 676, der DE-OS 29 13 741 und der DE-OS
32 21 839 sind Ringbandkerne aus amorphen Metallbändern beschrieben.
Nur bei dem Herstellungsverfahren nach der DE-OS 29 13 741
werden jedoch die Bandwicklungen des Kerns miteinander
verklebt und durch den verwendeten Kleber gegeneinander isoliert,
wobei hier als Bandmaterial hoch-kobalthaltige, amorphe
Legierungen verwendet werden. Diese Legierungen zeigen jedoch
keine oder allenfalls eine sehr kleine Magnetostriktion
(vgl. Tech. Mitt. Krupp-Forsch.-Ber., Bd. 40 (1982), Seiten 67
bis 71, insbesondere Tabelle 1).
In dem Artikel Phys. stat. sol. (a), Bd. 56 (1979),
Seiten 637 bis 645, sind die Zusammenhänge zwischen den inneren
Spannungen eines amorphen Bandes und seinem Magnettostriktionsverhalten
abgehandelt. In dem Artikel Appl. Phys. Lett.,
Bd. 37 (1980), Seiten 665 bis 666, sind die Magnetostriktionskonstanten
einer Vielzahl von hoch-eisenhaltigen, amorphen Legierungen
aufgelistet. Diesen Druckschriften ist jedoch nicht
zu entnehmen, wie man einen Ringbandkern mit Charakteristika
erhält, die ihm insbesondere für eine Verwendung in Drosselspulen
für Rauschfilter und Ausgangs-Glättungselemente geeignet
machen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Ringbandkern
aus einer amorphen magnetischen Legierung anzugeben, der bei
einem niedrigen Strom eine hohe Permeabilität aufweist, die
bei Ansteigen des Stroms langsam abfällt. Bei Verwendung eines
solchen Ringbandkerns für eine Drosselspule soll diese dann
eine Induktivität zeigen, die ebenfalls bei einem niedrigen
Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des Stroms langsam abfällt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Ringbandkern,
der entsprechend dem kennzeichenden Teil des Hauptanspruchs
aus einer amorphen Legierung mit einer positiven Magnetostriktionskonstante
von über 15 × 10-6 hergestellt und mit einem
Klebharz imprägniert ist. Dieser amorphe Ringbandkern zeigt
bei einem Ansteigen des zugeführten Stroms nicht die rasch abfallende
Permeabilitäts-Kennlinie, wie sie von den Kernen nach
dem Stand der Technik bekannt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden
im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1(a) eine perspektivische Ansicht eines mit einem Harz
imprägnierten amorphen Ringbandkerns nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1(b) eine sperspektische Ansicht eines mit einem Harz
imprägnierten amorphen Ringbandkerns mit Spalt nach
einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen
der Induktivität von Drosselspulen mit amorphen Ringbandkernen
von unterschiedlicher Magnetostriktion
und dem den Drosselspulen zugeführten Strom,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen
der Induktivität von Drosselspulen mit unterschiedlichen
amorphen Ringbandkernen und dem zugeführten
Strom und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen
der Induktivität von Drosselspulen mit unterschiedlichen
amorphen Ringbandkernen und dem zugeführten
Strom.
Ein in Fig. 1(a) gezeigter amorpher Ringbandkern 1 ist aus einem
Band 2 aus einer amorpher Legierung hergestellt.
Es kann eine beliebige amorphe
Legierung mit positiver Magnetostriktion über +15 × 10-6 verwendet werden.
Es ist bekannt, daß amorphe Legierungen aus (Fe.Co)-(Si.B)
und (Fe.Co.Ni)-(Si.B), die einen hohen Prozentsatz von Fe
enthalten, im allgemeinen eine hohe positive Magnetostriktion
aufweisen. Spezielle Beispiele hierfür sind (Fe₉₅Co₅)₇₈Si₈B₁₄
(λ s: 44 × 10-6) und (Fe0,9Co0,1)₈₃Si₃B₁₄ (λ s: 44 × 10-6). Es
ist weiterhin bekannt, daß bei amorphen Legierungen aus Fe-B
und aus (Fe · Co)-(Si · B), die mehr als 95% Fe enthalten,
die Magnetostriktion durch eine Wärmebehandlung verändert
werden kann (vgl. N. Tsuya et al., IEEE Trans. Mag., MAG-14
(1978), 946). Die Magnetostriktion der amorphen Fe-B-Legierungen
steigt beispielsweise aufgrund einer 3stündigen
Wärmebehandlung bei 300°C drastisch an.
Ein aus amorphen Legierungen hergestellter
Ringbandkern mit positiver Magnetostriktion, wenn er mit
einem Harz imprägniert ist, zeigt eine Permeabilität, die bei
einem niedrigen Strompegel hoch ist und bei Ansteigen des
Stroms langsam abfällt. Damit hat eine Drosselspule mit einem
derartigen amorphen Ringbandkern eine Induktivität, die beim
Anstieg eines Stroms nicht steil abfällt. Eine solche Induktivitäts-Charakteristik
ist für die Ausgangsglättung einer
schaltenden Leistungsversorgungseinheit geeignet. Diese Erkenntnis
bildet die Grundlage der vorliegenden Erfindung.
Es kann ein beliebiges Klebharz Anwendung finden, das
bei Verfestigung eine Druckkraft auf den Wickelkern ausübt.
Vorzugsweise werden hierbei aushärtbare Harze verwendet. Dazu
sind Phenolharze, Furanharze, Epoxidharze, ungesättigte
Polyesterharze, Melaminharze, Karbamidharze usw. zu zählen.
Aufgrund ihrer hohen Klebkraft haben sich Epoxidharze
als besonders günstig erwiesen. Die aushärtbaren Harze können
insbesondere auch Aushärtmittel enthalten.
Bei Verwendung eines flüssigen Epoxidharzes mit einem Aushärtmittel
wird der Ringbandkern zuerst in die Harzflüssigkeit eingetaucht,
anschließend in eine Vakuumkammer gestellt, um die
Harzflüssigkeit in den innersten Teil des Kerns unter Abziehen
der Luftblasen eindringen zu lassen, und danach auf Temperaturen
von etwa 85°C bis 100°C erwärmt, um das Epoxidharz
auszuhärten.
Die Verfestigung des Ringbandkerns 1 mit Harzen läßt sich auch
erreichen, indem die Oberfläche eines amorphen Bandes 2 mit
Harz beschichtet, das Band 2 zur Bildung eines Kernes gewickelt
und der gewickelte Kern 1 anschließend erwärmt wird. Die Harzimprägnierung
des Kerns 1 kann auch durch,
einen Imprägnierprozeß erfolgen, bei dem auf den Wickelkern
1 Druck ausgeübt wird. Hierbei kann ein beliebiges Klebharz
Anwendung finden, das in der Lage ist, den Ringbandkern nach
Abschluß des Imprägnierprozesses in einem zusammengepreßten
Zustand zu halten.
Der amorphe Ringbandkern 1 kann vor der Harzimprägnierung einer
Wärmebehandlung unterzogen werden, um seine magnetischen Charakteristika
zu verbessern. Die Wärmebehandlung erfolgt durch
Ausheilen des Kerns 1 auf Temperaturen von etwa 250°C
bis etwa 450°C und durch sein Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von
unter etwa 300°C pro Stunde. Falls notwendig, kann bei der
Wärmebehandlung ein magnetisches Feld angelegt werden.
Fig. 1(b) zeigt eine andere Ausführungsform des amorphen Ringbandkerns
1, bei der ein Spalt 3 vorgesehen ist. Der Spalt 3
verläuft über einen Teil der Breite des Bandes 2, um zu
verhindern, daß die Permeabilität des Kerns auf einem hohen
Strompegel steil abfällt. Es ist jedoch nicht vorteilhaft,
daß der Spalt 3 über die gesamte Höhe des Kerns 1 verläuft,
da ein derartiger Spalt die Permeabilität des Kerns auf einem
niedrigen Strompegel verringert. Solange der Spalt 3 nur über
einen Teil der Breite des Bandes 2 verläuft, kann er eine
beliebige Form und Abmessung aufweisen, d. h., er kann eine
einheitliche Breite haben oder sich verjüngen.
Der Spalt 3 wird mit einem Schleifwerkzeug eingeschnitten.
Die sich ergebenden Breite ist hierbei nicht notwendigerweise
gleich der Dicke des verwendeten Schleifwerkzeugs,
sondern meist kleiner als diese,
da nach dem Schneiden eine geringfügige Deformation des Wickelkerns
auftritt. Die Spaltbreite kann auch in Abhängigkeit von
der Schneidgeschwindigkeit variieren. Ebenfalls kann sich
die radiale Dicke des gewickelten Kerns 1 in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit des Schneidvorganges verändern, bei dem der
Kern mit einem Spalt versehen wird.
Der Spalt 3 kann mit einer nicht-magnetischen Zwischenlage
gefüllt werden, um seine Maßhaltigkeit sicherzustellen. Diese
Zwischenlage kann aus Kunststoff, Aluminium
usw. bestehen.
Weiterhin kann der amorphe Ringbandkern 1 mit nicht-leitfähigen
Harzen beschichtet werden. Die Oberflächenbeschichtung des
Kerns sollte so dick sein, daß die Isolation des Kerns gegen
auf ihn aufgewickelte Drähte sichergestellt ist. Unter Berücksichtigung
eines Füllfaktors sollte die Dicke der Oberflächenbeschichtung
jedoch einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten.
Die isolierende Harzbeschichtung ist deshalb im
allgemeinen etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm dick.
Nach diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Herstellung
des amorphen Ringbandkerns 1 in folgenden Schritten:
- (a) ein Band 2 aus einer amorphen Legierung wird toroidförmig aufgewickelt;
- (b) der sich ergebende toroidförmige Ringbandkern wird einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen;
- (c) der Kern wird mit Harzen imprägniert;
- (d) der gewickelte Kern wird, falls notwendig, mit dem Spalt 3 versehen;
- (e) im Spalt 3 wird eine nicht-magnetische Zwischenlage angeordnet; und
- (f) die Kernoberfläche wird mit isolierenden Harzen beschichtet.
Die Erfindung wird durch die folgenden, konkreten
Beispiele nochmals verdeutlicht.
Zur Bildung eines dünnen amorphen Bandes mit etwa 20 µm Dicke
und etwa 20 mm Breite wird die Schmelze einer Fe69,5Ni₈Si13,5B₉-Legierung
durch eine dünne Düse auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit
drehende Kupferrolle ausgestoßen. Das amorphe
Band wird aufgewickelt, um einen toroidförmigen Kern mit 25 mm
Außendurchmesser, 10 mm Innendurchmesser und 20 mm Höhe zu bilden.
Der sich ergebende Ringbandkern wird für 20 Minuten auf
430°C einer Wärmebehandlung unterzogen und danach in Luft abgekühlt.
Anschließend wird der gewickelte Kern in eine Flüssigkeit
mit EPIKOTE 828 (Epoxidharz) und ACMEX H-89 (Härter) in
einem Gewichtsverhältnis von 100 : 5 sowie mit einem kleinen Anteil
von Silikonöl (Blasenbildung verhinderndes Mittel) eingetaucht,
zum Entfernen von Luftblasen für 30 Minuten in eine
Vakuumkammer gestellt und danach für zwei Stunden auf 85°C
ausgehärtet.
Weiterhin wurden auch Bänder aus einer amorphen
(Co0,918Fe0,005Mn0,077)₇₈Si12,7B₉Nb0,3-Legierung und aus
einer amorphen Co₇₇Si₁₄B₉-Legierung hergestellt, um über den
oben dargestellten Prozeß Ringbandkerne mit denselben Abmessungen
herzustellen. Die Magnetostriktion λ s dieser Legierungen ist
im folgenden angegeben:
Material | |
λ s(x 10-6) | |
Fe69,5Ni8Si13,5B₉ | |
+20 | |
(Co0,918Fe0,005Mn0,077)₇₈Si12,7B₉Nb0,3 | ≈0 |
Co₇₇Si₁₄B₉ | -3 |
Jeder dieser drei Ringbandkerne wurde mit 40 Windungen eines
leitenden Drahtes umwickelt, um eine Drosselspule herzustellen.
Die Induktivität jeder Drosselspule wurde bei einer Frequenz
von 1 kHz in dem IDC-Bereich von 0 bis 100 A gemessen.
Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Hierbei entsprechen
Kurve A Fe69,5Ni₈Si13,5B₉
Kurve B (Co0,918Fe0,005Mn0,077)₇₈Si12,7B₉Nb0,3
Kurve C Co₇₇Si₁₄B₉
Kurve B (Co0,918Fe0,005Mn0,077)₇₈Si12,7B₉Nb0,3
Kurve C Co₇₇Si₁₄B₉
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die Drosselspule mit dem der
Kurve A entsprechenden Kern. (λ s<0) eine Induktivität
aufweist, die bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt,
während die Drosselspulen mit den Kernen, deren Magnetostriktion
annähernd Null oder negativ ist, eine Induktivität
aufweisen, die bei einem niedrigen Strom hoch ist, bei Ansteigen
des Stroms jedoch steil abfällt (Kurven B, C).
Für die Drosselspule mit dem aus der amorphen Fe69,5Ni₈Si13,5B₉-Legierung
λ s<0) hergestellten Ringbandkern wurden die Auswirkungen
der Harzimprägnierung auf die Induktivität der Drosselspule
ausgewertet.
In den (in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellten)
harz-imprägnierten gewickelten Kern wurde mit einem Schleifwerkzeug
ein Spalt 3 mit 0,7 mm Breite und 10 mm Länge eingeschnitten.
Mit diesem Kern wurde wie in Beispiel 1 eine
Drosselspule hergestellt, und deren Induktivität gemessen. Daneben
wurden zwei weitere Typen von Drosselspulen hergestellt:
eine, die weder mit einem Harz imprägniert war noch
einen Spalt aufwies, und eine andere, die nicht imprägniert
war, jedoch eine partiellen Spalt mit denselben Abmessungen
wie in Beispiel 1 aufwies. Die Ergebnisse sind mit folgenden
Zuordnungen in Fig. 3 dargestellt:
Kurve A imprägniert | |
kein Spalt | |
Kurve D imprägniert | Spalt |
Kurve E nicht imprägniert | kein Spalt |
Kurve F nicht imprägniert | Spalt |
Wie aus den Kurven A und D ersichtlich, zeigt die Drosselspule
mit dem amorphen Ringbandkern mit positiver Magnetostriktion die
gewünschte Induktivität, die auf einem niedrigen Strompegel
hoch ist und bei Ansteigen des Stroms langsam abnimmt, und
zwar unabhängig davon, ob ein Spalt vorgesehen ist oder nicht,
solange der Kern mit einem Harz imprägniert ist. Ist
andererseits der Kern nicht mit einem Harz imprägniert,
fällt die Induktivität der Drosselspule beim Ansteigen des
Stroms unabhängig davon, ob ein Spalt vorgesehen ist oder
nicht, steil ab. Dieses Beispiel bestätigt, daß die Harzimprägnierung
unabdingbar ist, um eine Drosselspule mit der
gewünschten Induktivitäts Charakteristik zu erhalten.
Ein Ringbandkern mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1
aus einem Band aus einer amorphen Fe69,5Ni₈Si13,5B₉-Legierung
wurde mit EPIKOTE (Epoxidharz)
beschichtet, ohne ihn irgendeiner Harzimprägnierung zu unterziehen.
Die Oberflächenbeschichtung erfolgte durch Erhitzen
gewickelten Kerns auf 150°C, Plazieren des Kerns in einer
fluidisierten Schicht aus Epoxidharzpulver, und Aushärten
des Beschichtungsharzes für zwei Stunden auf 160°C. Die Beschichtungsdicke
betrug 0,5 mm. Der sich ergebende harz-beschichtete
Wickelkern wurde, wie in Beispiel 1, mit einem
leitenden Draht umwickelt (40 Wicklungen) und bezüglich seiner
Induktivität vermessen. Die Ergebnisse sind als Kurve G in
Fig. 4 dargestellt. Der Vergleich der Kurve G mit der ebenfalls
in Fig. 4 gezeigten Kurve A macht deutlich, daß die
Oberflächenbeschichtung eines Ringbandkerns mit positiver
Magnetostriktion keine Drosselspule liefert, die die gewünschte
Induktivitäts-Charakteristik aufweist,
Eine Drosselspule mit der oben beschriebenen Induktivitäts-Charakteristik
nach vorliegender Erfindung bewirkt eine geringe
Veränderung einer Ausgangsspannung aufgrund eines
Laststroms, so daß sie in hohem Maße für die Ausgangsglättung
einer schaltenden Leistungsversorgungseinrichtung geeignet
ist.
Claims (4)
1. Ringbandkern aus einer amorphen magnetischen Legierung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphe Legierung eine positive Magnetostriktionskonstante
von über 15 × 10-6 aufweist, und daß der
Ringbandkern mit einem Klebharz imprägniert ist.
2. Ringbandkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
er einen Spalt (3) aufweist, der in axialer Richtung über einen
Teil seiner Höhe verläuft.
3. Ringbandkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Klebharz ein Epoxidharz ist.
4. Verwendung des Ringbandkerns nach einem der Ansprüche 1
bis 3 für eine Drosselspule.
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