DE3608519A1 - Spulenkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material.

In einem Artikel von W. Rößler (Rößler, W.: Nichtlineare Speicherdrosseln mit Ferritkernen, Elektronik 1, 1985, Seiten 72-74) werden Speicherdrosseln beschrieben, die sich für den Einsatz in getakteten Gleichspannungswandlern, insbesondere in Durchflußwandlern eignen. Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Durchflußwandlers. Eine Eingangsgleichspannung U₁ wird in eine Ausgangsspannung U₀ umgewandelt, die über einem Lastwiderstand abfällt. Das erste Teilbild der Fig. 1 zeigt den Wandler bei geschlossenem Schalter S, das zweite bei geöffnetem Schalter. In beiden Fällen gibt ein Pfeil die Flußrichtung des Drosselstromes iL der Speicherdrossel L₀ an. Bei geschlossenem Schalter S wird über die Speicherdrossel L₀ ein Siebkondensator C geladen und der Lastwiderstand mit Strom versorgt; eine sogenannte Freilaufdiode D ist gesperrt. Bei geöffnetem Schalter wird die in der Speicherdrossel L₀ gespeicherte Energie bei nun geöffneter Freilaufdiode D an den Lastwiderstand abgegeben. Eine Regelung der Ausgangsspannung U₀ erfolgt mit einer nicht eingezeichneten Regeleinrichtung über eine Veränderung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S.

Nimmt der Lastwiderstand zu, wird also die Last geringer, so tritt bei jedem Durchflußwandler von einer bestimmten Last an eine Überhöhung der Ausgangsspannung U₀ gegenüber ihrem Sollwert auf, sofern die Induktivität L der Speicherdrossel L₀ unabhängig von dem dabei ebenfalls kleiner werdenden Drosselstrom iL ist. Diese Überhöhung kann entweder gar nicht oder nur mit erheblichem Zusatzaufwand durch die Veränderung des Tastverhältnisses ausgeregelt werden. Einen Vorschlag zur Vermeidung dieser Spannungsüberhöhung und des Zusatzaufwandes für den Regler wird in dem oben zitierten Artikel von W. Rößler gemacht: Die Drosselspule erhält nichtlineares Verhalten, und zwar so, daß ihre Induktivität L mit abnehmendem Drosselstrom iL - iL bezeichnet nur den Gleichanteil des Drosselstromes - stark zunimmt. Erreicht wird das erwünschte nichtlineare Verhalten durch einen dachförmig angeschrägten Mittelbutzen einer Kernhälfte eines RM-Kernes.

Eine plausible Erklärung für das beobachtete Phänomen ist die, daß nur die angeschrägten Teile bei höherem Drosselstrom iL in die magnetische Sättigung geraten und die gesamte Drossel sich dann - dies entspricht der Beobachtung - wie eine Drossel mit Luftspalt verhält. Bei kleinem Drosselstrom verhält sich die Drossel wie eine ohne Luftspalt. Der Versuch einer exakten Erklärung würde auf die Berechnung magnetostatischer Felder im dreidimensionalen Raum führen.

Die Verwendung von RM-Kernen z. B. für Drosselspulen bei Durchflußwandlern hat jedoch - besonders wenn sie mit hohen Schaltfrequenzen (150 bis 200 kHz) betrieben werden - mehrere Nachteile. Trotz der geringen Windungszahl - Größenordnung etwa 10 - pro Spule, muß der Kern mit der Maschine gewickelt werden. Streufelder, die bei höheren Frequenzen eine immer größere Bedeutung bekommen, können nicht vermieden werden und stören in immer stärkerem Maße die benachbarten Bauteile auf einer Platine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spulenkern anzugeben, bei dem die aufgezählten Mängel vermieden werden können und mit dem unter anderem eine Drossel herstellbar ist, die ebenfalls das oben beschriebene nichtlineare Verhalten zeigt. Diese Aufgabe wird durch einen Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kern mindestens eine aus magnetischem Material bestehende Schnittfläche seines Querschnittes enthält, die kleiner ist als entsprechende Schnittflächen ihrer Umgebung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten die Unteransprüche.

Ringkernspulen oder andere Spulen mit Kernen von ringähnlicher Gestalt (ringähnlich umfaßt hier ringförmig) haben nur geringe Streufelder; diese Kerne sind gegenüber den RM-Kernen wesentlich einfacher gebaut und darum auch erheblicher billiger herzustellen. Die Verkleinerung des Kernquerschnittes an einer Stelle ist problemlos - z. B. durch Einsägen. Bei der geringen Anzahl von Windungen können diese in kürzester Zeit von Hand auf den Kern gewickelt werden, so daß das Ein- und Ausspannen aus der Wickelmaschine entfällt. Außerdem haben Ringkerne im Vergleich zu anderen Kernen bei gleicher Leistung geringeres Bauvolumen.

Anhand der Fig. soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt die Einsatzmöglichkeit einer Drosselspule bei Durchflußwandlern;

Fig. 2 zeigt zwei Spulenkerne gestaltet nach der erfindungsgemäßen Lehre.

Die Bedeutung der Fig. 1 ist in der Beschreibungseinleitung eingehend erläutert worden; die Drosselspule L₀ kann ohne weiteres durch eine Spule mit erfindungsgemäßen Merkmalen ersetzt werden. Wirtschaftlich bedeutend wird das Ersetzen allerdings erst dann, wenn der Schalter S mit ausreichend hoher Schaltfrequenz (größer als 100 kHz) betrieben wird.

Die Fig. 2a stellt - bis auf einen Spalt S - einen Ringkern RK aus Ferrox-Cube dar, wie er im Handel erhältlich ist. Der Kern ist als ringähnlich zu bezeichnen, die Kernachse ist ein Kreis (nicht eingezeichnet), um den herum das Kernmaterial torusartig verteilt ist. Der Kern ist von außen senkrecht zur Kernachse angesägt, so daß eine Nut Spalt S entsteht und ein Steg ST von Kernmaterial stehenbleibt. Typische Dimensionen für die abgebildete Nut sind eine Länge von 20 mm, eine Breite von 0,7 mm und eine Tiefe von 6 mm. Die Spulenwindungen (nicht eingezeichnet) liegen in Nutrichtung über dem Kernmaterial. Bei hohen Leistungen und großen Schaltfrequenzen sind nur wenige Windungen mit starkem in der Größenordnung der Nutbreite liegenden Drahtquerschnitt erforderlich. Eine bewährte Dimensionierungsvorschrift ist die, die Nuttiefe viermal so groß zu wählen wie die Stegtiefe.

Bei geringer Vormagnetisierung - also geringem Spulengleichstrom - ist der Steg ST magnetisch ungesättigt. Seine Wirkung überwiegt, so daß sich der gesamte Kern bei kleinen Spulengleichströmen wie ein spaltloser Ringkern verhält. Bei höherer Vormagnetisierung - also in größeren Spulengleichströmen - geht nur das Material des Steges wegen der stärkeren magnetischen Induktion im Steg in die magnetische Sättigung. Es entsteht die gleiche Wirkung, die ein Spalt haben würde.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2b, nach der zwei Ringkerne RK 1 und RK 2 - erkennbar an einer Fuge - zusammengeklebt sind. Der Kern RK 1 besteht aus Ferrox-Cube, der Kern RK 2 ist ein Eisenpulverkern. Eisenpulverkerne - oder allgemeiner Metallpulverkerne - verhalten sich wie Kerne mit Spalt, so daß die gesamte Wirkung eines Kernes nach Fig. 2b sich ebenfalls näherungsweise aus der Überlagerung eines Ringkernes mit Spalt und eines Ringkernes ohne Spalt ergibt. Metallpulverkerne haben viele Kernspalte mit mikroskopischen Dimensionen, so daß sie nicht ohne weiteres mit bloßem Auge zu erkennen sind.

Ebenso problemlos wie sich Ferrox-Cube-Ringkerne ansägen lassen, lassen sich auch sogenannte Ringbandkerne auf die gleiche Weise bearbeiten. Ringbandkerne spielen bei Gleichspannungswandlern eine besondere Rolle; ihre Eigenschaften sind dem Fachmann geläufig.

Die erfindungsgemäßen Kerne sind auch für Übertrager z. B. bei Sperrungswandlern verwendbar.

Claims (6)

1. Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (RK) mindestens eine aus magnetischem Material bestehende Schnittfläche seines Querschnittes enthält, die kleiner ist als entsprechende Schnittflächen ihrer Umgebung.

2. Spulenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittflächenverkleinerung durch eine Nut (S) im magnetischen Material erreicht wird, die quer zur Kernachse verläuft.

3. Spulenkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (S) senkrecht zur Kernachse verläuft.

4. Spulenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren etwa deckungsgleichen, ringähnlichen Teilkernen (RK 1, RK 2) zusammengefügt ist, von denen einige einen und andere keinen Spalt aufweisen.

5. Spulenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren etwa deckungsgleichen, ringähnlichen und spaltlosen Teilkernen (RK 1, RK 2) zusammengefügt ist und daß es sich bei einigen Teilkernen um Metallpulverkerne handelt.

6. Spulenkern nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Ringbandkern handelt.