DE3435519A1

DE3435519A1 - Drosselspule

Info

Publication number: DE3435519A1
Application number: DE19843435519
Authority: DE
Inventors: Yorio Tokio/Tokyo Hirose; Takao Yokohama Kanagawa Sawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-09-28
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1985-04-11
Also published as: DE3435519C2; JPS6074412A

Description

Drosselspule
Die Erfindung betrifft eine Drosselspule, die in einem Ausgangs-Gleichrichterkreis einer elektronischen Kraftquelle, wie einer Schaltenergiequelle, einem Gleich-Gleich-Umwandler etc., verwendet werden kann. Sie betrifft insbesondere eine Drosselspule mit mehreren Ausgängen, welche in der Lage ist, eine Mehrzahl von Ausgangs-gleichrichtenden Stromkreisen in einem Stück eines ringförmigen magnetischen Kerns darzustellen.
Eine Drosselspule ist unter Verwendung von verschiedenen Arten von Kernmaterialien aufgebaut. Sie hat beispielsweise einen Aufbau aus einem ringförmigen magnetischen Kern, bei dem eine Spule um einen Kernteil, wie einen ringförmigen Kernteil, gewickelt ist, wobei die Spule vollständig, z.B. mit einem Epoxyharz, beschichtet ist und weiterhin in einer einzigen Wicklung aufgebracht ist. Da ein überlagerter Durchgang von sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom durch die Drosselspule erfolgt, wird im allgemeinen ein Teil des ringförmigen magnetischen Kerns longitudinal in der Radiusrichtung unter Ausbildung eines Spaltes abgeschnitten, wodurch eine Sättigung des Flusses mit Gleichstrom verhindert wird. Im allgemeinen sind für solche magnetische Kernmaterialien Ferrit, Silicium-Stahlbleche etc., in grossem Umfang verwendet worden.
Diese Spulen weisen jedoch die nachfolgend gezeigten Probleme auf und es besteht ein starkes Bedürfnis, sie zu verbessern. Beispielsweise zeigt eine Drosselspule unter Verwendung von Ferrit als magnetisches Kernmaterial eine magnetische Flussdichte, die äusserstenfalls etwa 5 KG ist und infolgedessen muss man sie sehr gross herstellen, um eine Sättigung mit einem grossen Gleichstrom zu vermeiden. Diese Bedingung steht jedoch im Gegensatz fiu dem beim derzeitigen Stand der Technik vorliegenden Trend, Instrumente zu verkleinern. Andererseits ist die magnetische Flussdichte bei einem Silicium-Stahlblech so hoch wie etwa 18 KG, jedoch ist der magnetische Verlust im hohen Frequenzbereich gross und wenn man eine solche Spule in einer elektronischen Energiequellenvorrichtung, wie sie in jüngerer Zeit zur Verfügung stehen und die mit einer höheren Frequenz arbeiten, anwendet, so kann man sie nicht gebrauchen, wegen der erheblich grösseren Wärmeerzeugung aufgrund von Hochfrequenz-Welligkeit.
Wie schon erwähnt, wird bei einer Drosselspule nach dem Stand der Technik nur ein Ausgangsstrom an einer Drosselspule vorgesehen. Dies bedeutet, dass man bei Vorrichtungen, bei denen mehrere Ausgänge vorgesehen sind, und wie sie in jüngerer Zeit eingesetzt wurden, die gleiche Anzahl von Drosselspulen wie die Anzahl der äusseren Stromkreises benötigt und dadurch werden die Kosten pro Stromkreis sehr hoch.
Man sollte annehmen, dass man dieses Problem dadurch lösen kann, dass man eine Vielzahl von Wicklungen um eine Drosselspule vorsieht, um dadurch den gewünschten Ausgangs-Stromkreis für jede der jeweiligen Wicklungen zu erzeugen.
Im Falle einer Drosselspule mit mehreren Ausgängen, sofern eine solche zur Verfügung steht, könnte man die Gesamtheit der Amperewindungen für die jeweiligen Ausgangs-Stromkreise so ausführen, dass sie sich im wesentlichen aufheben und dadurch kann der Einfluss einer Überlagerung von Gleichstrom (Induktivität gegen Gleichstromvorspannung) kleiner sein als im Falle von Drosselspulen des Standes der Technik. Infolgedessen könnte man die wirksame Permeabilität des magnetischen Kerns auf einen höheren Wert einstellen, mit dem Ergebnis, dass die Anzahl der Wicklungen eines Drahtes in der Spule bei einer gleichen Induktivität vermindert werden kann.
Im Falle einer solchen Drosselspule sind jedoch die Wechselstrom-Welligkeitskomponenten in den jeweiligen Ausgangs-Stromkreisen nicht notwendigerweise in der gleichen Phase und in der gleichen Wellenform, ohne dass sie sich aufheben. Infolgedessen wird die Wechselstrom-magnetische Flussdichte durch die Welligkeitskomponente entsprechend der Erhöhung der effektiven Permeabilität des magnetischen Kerns erhöht. Wenn man deshalb ein magnetisches Kernmaterial für eine Drosset spule mit mehreren Ausgängen aus einem Ferrit-Kernmaterial mit niedriger magnetischer Flussdichte verwendet, so tritt eine Sättigung mit Wechselstrom-Welligkeit und damit eine abrupte Erhöhung der Wärmeerzeugung ein. Dieses Problem gilt es zu lösen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drosselspule zur Verfügung zu stellen, die an einem Magnetkern mehrere Stromkreis-Ausgänge aufweist, die eine hohe magnetische Flussdichte hat, die einen kleinen Hochfrequenzmagnetischen Verlust und ausgezeichnete Induktions-Gleichstrom-Überlagerungscharakteristika hat und die ausserdem den Vorteil von niedrigen Kosten pro Ausgangs-Stromkreis aufweist, wobei gleichzeitig die vorerwähnten Probleme nicht mehr auftreten sollen.
Die erfindungsgemässe Drosselspule besteht aus einer Mehrzahl von Wicklungen um einen Teil aus einem ringförmigen magnetischen Kern.
Das magnetische Material, welches den magnetischen Kern der Drosselspule darstellt, kann gemäss der Erfindung jedes Material sein, unter der Voraussetzung, dass zu den magnetischen Eigenschaften eine hohe Permeabilität, eine hohe gesättigte magnetische Flussdichte (vorzugsweise mehr als etwa 10 KG) und ein niedriger Kernverlust (vorzugsweise weniger als 2.000 mW/cm3 - 3 KG/50 Hz) vorliegt, jedoch besteht das magnetische Kernmaterial vorzugsweise aus einer amorphen magnetischen Legierung der nachfolgend beschriebenen Art.
Fig. 1 ist eine grobe perspektivische Darstellung einer Drosselspule mit mehreren Ausgängen gemäss einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 ist eine grobe plane Darstellung einer Drosselspule mit mehreren Ausgängen, entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 3 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Gleichstromüberlagerungscharakteristika der Induktion bei einer Drosselspule, die gemäss den Beispielen und Vergleichsbeispielen in der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; dabei gilt die Kurve A für Beispiel 1, die Kurve B für Beispiel 2, die Kurve C für die Kontrolleprobe 1 und die Kurve D für die Kontrollprobe 2.
Das erfindungsgemäss verwendete magnetische Kernmaterial besteht vorzugsweise aus einer amorphen magnetischen Legierung der Formel (Fe1 aMa)tN1 00-b worin M wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Hf, Ta, W, Re und seltene Erden, ist; N wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Si, B, P und C, ist; und a und b jeweils Zahlen sind, welche den Beziehungen 0 #a # 0,12 bzw. 764 b$85 entsprechen.
In der obigen Formel ist M ein Element, welches die Magnetostriktion erniedrigt, den magnetischen Verlust erniedrigt und welches auch zu einer Verbesserung der Permeabilität beiträgt, wobei es jedoch die sättigungsmagnetische Flussdichtm erniedrigt. Deshalb soll das Zusammensetzungsverhältnis in der Praxis im Bereich von 0 (a 40,12, ausgedrückt als Atom-%, liegen.
Die Verringerung des magnetischen Verlustes und die Erhöhung der Permeabilität werden möglich, wenn die Gesamtmenge an b des Metalls 76 oder mehr beträgt.
Bei einer Menge von bis zu 85 von b, wird die Kristallisationstemperatur nicht erniedrigt und dadurch kann man der Legierung einer verbesserte thermische Stabilität verleihen. Erfindungsgemäss soll bei einer Legierung, die M enthält, a und b 0,02 6aK 0,12 bzw. 774 bs 84 entsprechen, wobei es besonders bevorzugt ist, dass 0,03 SaS 0,10 und 785 b f83 ist.
Solche Legierungen kann man in einfacher Weise nach üblichen Schnellabschreckungsmethoden herstellen. Die Zusammensetzung kann man wählen, je nachdem, ob man bei dem jeweiligen magnetischen Kern eine besonders hohe sättigungsmagnetische Flussdichte fordert oder ob man einen kleinen Hochfrequenz-magnetischen Verlust benötigt.
Unter Verwendung einer solchen amorphen magnetischen Legierung wird beispielsweise, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, ein ringförmiger magnetischer Kern 1 (d.h.
ein Ringkern) geformt. Dieser magnetische Kern 1 wird mit einem Epoxyharz imprägniert und gehärtet und anschliessend schneidet man einen Teil davon in Längsrichtung zu der Radiusrichtung, unter Ausbildung eines Spaltes 2 mit einem engen Zwischenraum aus, um die B-H-Kurve flach auszubildei. Der Zwischenraum des Spaltes 2 kann gewählt werden in Abhängigkeit von den beabsichtigten Charakteristika und beträgt im allgemeinen 0,1 bis 1 mm. Drähte 3, 3' aus Kupfer und dergleichen werden um den magnetischen Kern 1 mit der erforderlichen Anzahl von Wicklungen unter Ausbildung einer Spule gewickelt.
In den Spalt 2 des magnetischen Kerns 1 kann man irgendeines der Einsatzteile der nachfolgend beschriebenen Art einsetzen. Ein solches kann eine magnetische Legierung mit einem so niedrig wie möglichen Hochfrequenz-magnetischen Verlust sein und in einem solchen Fall erhält man eine Drosselspule mit nichtlinearen Gleichstrom-Überlagerungseigenschaften. Bei einer solchen magnetischen Legierung verwendet man vorzugsweise eine amorphe Legierung der Formel: (Co1-a'M'a')b'N'100-b' in welcher M' wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Hf, Ta, W, Re und seltene Erden, bedeutet; N' wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, B, P und C, bedeutet; und a' und b' Zahlen sind, welche den Beziehungen 0,02 #a'#0,20 bzw. 70Ab'S 80 entsprechen, wobei besonders bevorzugt 0,04 (a'S 0,15 und 70 (b'< 78 ist.
Bei der obigen Legierung kann man die Permeabilität und den magnetischen Verlust durch Zugabe von M' verbessern, dessen Wirkung bei einem Wert von a' von 0,02 oder mehr und 0,20 ocWer weniger gross ist. Bei einem Wert von b' von 70 oder mehr erhält man eine für die Praxis befriedigende sättigungsmagnetische Flussdichte mit einer guten Wärmestabilität. Bei einem Wert von b' von nicht mehr als 80 erhöht sich die Curie-Temperatur nicht über die Kristallisationstemperatur und man kann eine hohe Permeabilität und einen niedrigen magnetischen Verlust erhalten. Darüber hinaus ist es möglich, eine Wärmebehandlung durchzuführen, durch welche man gute Veränderungen solcher Eigenschaften im Laufe der Zeit erzielt.
Unter den obigen Legierungen wird die Magnetostriktion Null bei einem Verhältnis von Co zu Fe von 94:6, wodurch man eine besonders hohe Permeabilität erzielen kann.
Als zweites Einsatzteil kann man ein Isoliermaterial, wie ein Polyamidharz, verwenden. In diesem Fall kann man eine Drosselspule mit linearen Gleichstrom-Überlagerungseigenschaften erhalten.
Es werden zwei oder mehr Wicklungen um den ringförmigen magnetischen Kern der vorerwähnten Art gewickelt, wobei man eine Drosselspule gemäss der Erfindung erhält.
Bei der erfindungsgemässen Drosselspule wird die Anzahl der Wicklungen so aufgetragen, dass der von den jeweiligen Wicklungen ausgebildete magnetische Fluss sich gegenseitig aufhebt. Dies kann man erzielen, indem man die Richtung der Drahtwicklungen überwacht, die Anzahl der Drahtwicklungen und/oder die Richtung des Stroms. Im Falle von zwei Wicklungen, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, werden die jeweiligen Wicklungen so aufgebracht, dass man die Richtung der Drahtwicklungen unterschiedlich wählt, so dass die ausgebildeten magnetischen Flüsse jeweils entgegengerichtet sind. Dadurch heben sich die von den jeweiligen Wicklungen durch die Beladungsströme ausgebildeten magnetischen Flüsse gegeneinander auf, und'es findet praktisch keine Sättigung des magnetischen Kerns statt. Im Falle von drei Wicklungen, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird (worin die Pfeile den magnetischen Fluss anzeigen), wird eine Aufhebung der magnetischen Flüsse erzielt, indem man die, Anzahl und die Richtung der Drahtwicklungen kontrolliert. Auf diese Weise kann man aufgrund der Aufhebung der magnetischen Flüsse durch die jeweiligen Wicklungen ein Material mit einer höheren Permeabilität als beim Stand der Technik als magnetisches Kernmaterial anwenden und dadurch erreicht man, dass der Hochfrequenz-magnetische Verlust kleiner wird mit einer gleichzeitig auftretenden Unterdrückung der Wärmeerzeugung, wodurch man dann eine Drosselspule erhält, die auch im Hochfrequenzbereich geeignet ist.
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.
Beispiele 1 und 2 Ein Band aus einer amorphen magnetischen Legierung der Zusammensetzung (Fe0,95Cr0,05)81Si5B14 wurde durch übliche Einfach-Walzmethode hergestellt.
Dieses Band wurde dann zu einer Rolle mit einem Aussendurchmesser von 30 mm, einem Innendurchmesser von 22 mm und einer Höhe von 10 mm aufgewickelt und diese wurde dann 1 Stunde bei 4600C wärmebehandelt. Dann wurde sie mit einem Epoxyharz imprägniert und anschliessend wurde das Harz gehärtet und dann wurde längs an einer Stelle mittels eines Diamantschneiders in Richtung zum Radius ein Stück gerausgeschnitten unter Ausbildung eines Spaltes mit einem Zwischenraum von 0,8 mm. Auf diese Weise wurden zwei Arten von magnetischen Kernen mit gleichem Aufbau ausgebildet, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird (magnetische Flussdichte: etwa 13 KG).
In den Spalt eines dieser magnetischen Kerne wurde (1) ein Streifen einer amorphen magnetischen Legierung der Zusammensetzung (Co0,90Fe0,06Nb0,04)74Si13B13 eingebracht und in den anderen Spalt des anderen magnetischen Kerns wurde (2) ein Streifen aus einem Polyamidharz als Einsatzteil eingebracht. Jeder dieser magnetischen Kerne wurde in ein Gehäuse aus einem Phenolharz eingebracht und zwei Wicklungen wurden darauf mit jeweils 40 Windungen unter Anwendung eines Kupferdrahtes aufgebracht, wodurch man Drosselspulen mit einem Aufbau, der dem der Fig. 1 entspricht, erhielt. Die Proben, bei den die Einsatzteile (1) und (2) verwendet wurden, werden als Probe von Beispiel 1 bzw. Beispiel 2 bezeichnet.
Vergleichsbeispiele 1 und 2 Als Kontrollproben wurden ringförmige magnetische Kerne aus Mn, Zn-Ferrit (magnetische Flussdichte 5 KG) mit einem Aussendurchmesser von 30,2 mm, einem Innendurchmesser von 20,2 mm und einer Höhe von 0,9 mm, sowie einem Spalt von 0=8 mm nach dem gleichen Verfahren wie bei der Spaltbildung bei den Proben gemäss Beispiel 1 und 2 hergestellt und in den Spalt wurde dann ein Streifen eines Polyamidharzes als Einsatzteil eingebracht und anschliessend wurden zwei Windungen mittels eines Kupferdrahtes unter Ausbildung einer Ferrit-Drosselspule aufgebracht, die nachfolgend als Kontrolleprobe 1 bezeichnet wird, und weiterhin wurde ein 50 pm dünnes Blechband aus 3 %-igem Silicium-Stahlband auf eine Rolle aufgewickelt und einer Wärmeentwicklung unterworfen, unter Ausbildung eines magnetischen Kerns mit einem Aussendurchmesser von 30 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Höhe von 10 mm (magnetische Flussdichte 18 KG) und darin wurde der gleiche Spalt ausgebildet und in den Spalt wurde ein Streifen aus einem Polyamidharz als Einsatzteil eingebracht und dann wurden zwei Wicklungen darauf mit jeweils 40 Windungen aus einem Kupferdraht aufgebracht, wodurch man eine. Silicium-Stahlblech-Drosselspule erhielt, die nachfol-end als Kontrolleprobe 2 bezeichnet wird.
Versuch 1 Bei den in den obigen Beispielen und Vergleichsbeispielen erhaltenen vier Arten von Drossel spulen wurden die Gleichstrom-Überlagerungseigenschaften für die Induktivität unter Verwendung eines LCR (L/C-Verhältnis)-Messers und einer variablen Gleichstrom-Kraftquelle gemessen. Bei dieser Messung wurde eine Energiequelle, welche mit den beiden Ausgängen der Drosselspulen verbunden war, auf 12 V, und 5 Amp eingestellt und die andere auf 5 V und 10 Amp und dann wurde der Ladungsstrom von der Energiequelle auf 5 V und 12 Amp konstant gehalten,während die Energiequelle von 12 V und 5 Amp variiert wurde. Das Ergebnis wird in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 wird die Probe des Beispiels 1 in der Kurve A gezeigt, die Probe des Beispiels 2 in der Kurve B, die Kontrollprobe 1 durch die Kurve C und die Kontrollprobe 2 durch die Kurve D.
Diese Drossel spulen wurden auf eine Schaltenergiequelle mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz, 12 V und 5 Amp aufgebracht und die Temperatur des magnetischen Kerns (magnetische Kernoberfläche bei der Kontrollprobe 1 und Gehäuseoberfläche bei den Proben des Beispiels 1 und 2 und der Kontrollprobe 2) nach dem Durchgang des gemessenen Stroms während 30 Minuten wurde mittels eines Thermopaars und eine; Digitalthermometers gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1

verwendete Drosselspule Temperatur (OC)

Beispiel 1 22

Beispiel 2 22

Kontrollprobe 1 18

Kontrollprobe 2 86

Bei diesen Drosselspulen annähernd gleicher Dimension und Form war die Kontrollprobe 1 mit einem geringen Ladungsstrom gesättigt (siehe Fig. 3) und zwar aufgrund der niedrigen Flussdichte, während die Kontrollprobe 2 eine sehr hohe Temperaturerhöhung aufwies. Dagegen war bei jeder der Proben der Beispiele die Gleichstrom-Überlagerungscharakteristik besser als bei Ferrit und dennoch lag eine grosse sättigungsmagnetische Flu;sdichte vor, so dass man einen guten Ladungsstrom erzielen konnte.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass die erfindungsgemässe Drosselspule sehr gut geeignet ist für Gleichrichterwirkungen, selbst wenn sie nur eine geringe Grösse aufweist, dass sie eine geringe Wärmeerzeugung in bezug auf Hochfrequenz-Welligkeit aufweist und dass sie ausserdem ausgezeichnete Induktions-Gleichstrom-Überlagerungseigenschaften besitzt.
Deshalb ist sie von hoher technischer Bedeutung und kann insbesondere als Drosselspule in einem Gleichrichter-Stromkreis mit mehreren Ausgängen für eine elektronische Energieeinrichtung, wie eine Schaltenergiequelle und einen Gleich-Gleich-Umwandler, verwendet werden.

Claims

Drosselspule PATENTANSPRÜCHE 0 Drosselspule, g e k ein n z e i c h n e t durch einen ringförmigen magrtischen Kern (1), einen Spalt (2) und eine Mehrzahl von Wicklungen (3, 3') um einen Teil des ringförmigen magnetischen Kerns.
2. Drosselspule gemäss Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass das Material für den magnetischen Kern ein Material mit einer hochgesättigten magnetischen Flussdichte und niedrigem Kernverlust ist.
3. Drosselspule gemäss Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass das magnetische Material eine amorphe magnetische Legierung ist.
4. Drosselspule gemäss Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass die amorphe magnetische Legierung die durch die folgende Formel gekennzeichnete Zusammensetzung hat: (Fe1 aMa)bN1 oo-b worin M wenigstens ein Element, ausgewählt aus Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Hf, Ta, W, Re und seltenen Erdelementen, bedeutet; N wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Si, B, P und C, bedeutet; und a und b Zahlen sind, welche den Beziehungen 0 # a # 0,12 bzw. 76 < b ( 85 entsprechen.
5. Drosselspule gemäss Anspruch 1, in welcher die Mehrzahl der Wicklungen so aufgebracht sind, dass sich der aus den jeweiligen Wicklungen gebildete magnetische Fluss gegenseitig aufhebt.
6. Drosselspule gemäss Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass der Spalt in eine amorphe Legierung eingebracht ist, welche die folgende Zusammensetzung hat: (Co1 -a ,M' a' at)bN 100-b worin M' ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Ru, Hf, Ta, W, Re und seltenen Erdelementen, bedeutet; N' ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, B, P und C, bedeutet; und a' und b' Zahlen sind, welche den Beziehungen 0,02 # a' # 0,20 bzw.

704 b' 480, vorzugsweise 0,04 # a' # 0,15 und 70 # b' # 78 entsprechen.
7. Drosselspule gemäss Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass in den Spalt ein Isoliermaterial eingebracht ist.