DE3415435C2

DE3415435C2 -

Info

Publication number: DE3415435C2
Application number: DE19843415435
Authority: DE
Inventors: Yoshihito Yoshizawa; Kiyotaka Kumagaya Jp Yamauchi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1983-04-25
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1989-11-16
Also published as: DE3415435A1; GB2139008B; GB2139008A; GB8410543D0; JPS59198708A

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 (Fe_0,9Co_0,1)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.

Beispiel 1

Zur Bildung eines dünnen amorphen Bandes mit etwa 20 µm Dicke und etwa 20 mm Breite wird die Schmelze einer Fe_69,5Ni₈Si_13,5B₉-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 (Co_0,918Fe_0,005Mn_0,077)₇₈Si_12,7B₉Nb_0,3-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)
Fe_69,5Ni₈Si_13,5B₉
+20
(Co_0,918Fe_0,005Mn_0,077)₇₈Si_12,7B₉Nb_0,3	≈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 I_DC-Bereich von 0 bis 100 A gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Hierbei entsprechen

Kurve A Fe_69,5Ni₈Si_13,5B₉
Kurve B (Co_0,918Fe_0,005Mn_0,077)₇₈Si_12,7B₉Nb_0,3
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).

Beispiel 2

Für die Drosselspule mit dem aus der amorphen Fe_69,5Ni₈Si_13,5B₉-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.

Beispiel 3

Ein Ringbandkern mit denselben Abmessungen wie in Beispiel 1 aus einem Band aus einer amorphen Fe_69,5Ni₈Si_13,5B₉-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

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.