DE3622190A1

DE3622190A1 - Coil Core

Info

Publication number: DE3622190A1
Application number: DE19863622190
Authority: DE
Inventors: Burghard Krahl
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1988-01-07

Abstract

A coil core is specified whose shape is similar to a ring and which consists of material which can be magnetically saturated. The coil core is intended especially for pulsed DC/DC voltage converters, in the case of which coils are needed whose inductance is heavily dependent on the premagnetisation, to be precise the desired total inductance is intended to be achieved as a superimposition of the inductance of a coil having a core gap and such a coil without a core gap. In order to achieve the desired effect, annular cores are provided having cavities which are filled with magnetically neutral material and are completely surrounded by material which can be magnetically saturated.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material, der mindestens eine aus magnetischem Material bestehende Schnittfläche seines Querschnittes enthält, die kleiner ist als entsprechende Schnittflächen ihrer Umgebung.The invention relates to a coil core of ring-like Shape made of magnetically saturable material, the at least one made of magnetic material Cut area of its cross section contains the smaller is the corresponding intersection of their surroundings.

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 Gleichspannungswand lern, insbesondere in Durchflußwandlern eignen. Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Durchflußwandlers. Eine Eingangs gleichspannung Ul wird in eine Ausgangsspannung Uo umge wandelt, 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 Lo an. Bei geschlossenem Schalter S wird über die Speicherdrossel Lo ein Siebkondensator C geladen und der Lastwiderstand mit Strom versorgt; eine sogenannte Freilaufdiode D ist gesperrt. Bei geöffnetem Schalter wird die in der Speicherdrossel Lo gespeicherte Energie bei nun geöffneter Freilaufdiode D an den Last widerstand abgegeben. Eine Regelung der Ausgangsspannung Uo erfolgt mit einer nicht eingezeichneten Regeleinrich tung über eine Veränderung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S.In an article by W. Rößler (Rößler, W .: Nonlinear storage chokes with ferrite cores, Electronics 1, 1985, pages 72-74), storage chokes are described which are suitable for use in clocked DC voltage converters, particularly suitable for forward converters. Fig. 1 shows the principle of a forward converter. An input DC voltage Ul is converted into an output voltage Uo, which drops across a load resistor. The first partial image of FIG. 1 shows the transducer in switch S is closed, the second switch is open. In both cases, an arrow indicates the direction of flow of the choke current iL of the storage choke Lo . When switch S is closed, a filter capacitor C is charged via the storage inductor Lo and the load resistor is supplied with current; a so-called free-wheeling diode D is blocked. When the switch is open, the energy stored in the storage inductor Lo is released to the load resistance when the freewheeling diode D is now open. The output voltage Uo is regulated with a control device (not shown) by changing the on and off times of the switch S.

Nimmt der Lastwiderstand zu, wird also die Last geringer, so tritt bei jedem Durchflußwandler von einer bestimmten Last an eine Überhöhung der Ausgangsspannung Uo gegenüber ihrem Sollwert auf, sofern die Induktivität L der Speicherdrossel Lo unabhängig von dem dabei ebenfalls kleiner werdenden Drosselstrom iL ist. Diese Überhöhung kann entweder garnicht oder nur mit erheblichem Zusatz aufwand durch Veränderung des Tastverhältnisses ausgere gelt werden. Einen Vorschlag zur Vermeidung dieser Span nungsüberhöhung 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 Drosselstro mes - stark zunimmt. Erreicht wird das erwünschte nicht lineare Verhalten durch einen dachförmig angeschrägten Mittelbutzen einer Kernhälfte eines RM-Kernes.If the load resistance increases, so the load becomes lower, the output voltage Uo increases in relation to its setpoint for each flow converter from a certain load, provided that the inductance L of the storage inductor Lo is independent of the inductor current iL , which also becomes smaller. This exaggeration can either not at all or only with considerable additional effort can be corrected by changing the duty cycle. A suggestion for avoiding this voltage overshoot and the additional effort for the controller is made in the article by W. Roessler cited above: the inductor receives non-linear behavior in such a way that its inductance L with decreasing inductor current iL-iL denotes only the DC component of the Choke current - increases rapidly. The desired non-linear behavior is achieved through a roof-shaped sloping central slug of a core half of an RM core.

Eine plausible Erklärung für das beobachtete Phänomen ist die, daß nur die angeschrägten Teile bei höherem Drossel strom iL in die magnetische Sättigung geraten und die gesamte Drossel sich dann - dies entspricht der Beobach tung - 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 dreidi mensionalen Raum führen.A plausible explanation for the observed phenomenon is that only the beveled parts become magnetically saturated at a higher choke current iL and the entire choke then behaves - this corresponds to the observation - like a choke with an air gap. With a small choke current, the choke behaves like one without an air gap. Attempting an exact explanation would lead to the calculation of magnetostatic fields in three-dimensional space.

Die Verwendung von RM-Kernen z.B. für Drosselspulen bei Durchflußwandlern hat jedoch - besonders wenn sie mit hohen Schaltfrequenzen (150 bis 200 kHz) betrieben wer den - 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.However, the use of RM cores, for example for choke coils in forward converters, has several disadvantages, especially if they are operated at high switching frequencies (150 to 200 kHz). Despite the low number of turns - around 10 - per coil, the core must be wound with the machine. Stray fields, which are becoming increasingly important at higher frequencies, cannot be avoided and increasingly disrupt the neighboring components on a circuit board.

In der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 36 08 519.7 ist ein Spulenkern mit den eingangs genann ten Merkmalen angegeben, mit dem die aufgezählten Mängel vermieden werden und mit dem unter anderem eine Drossel herstellbar ist, die auch das oben beschriebene nicht lineare Verhalten zeigt.In the German patent application with the file number P 36 08 519.7 is a coil core with the aforementioned ten characteristics with which the listed shortcomings be avoided and with which, among other things, a choke is producible, which is also not the one described above shows linear behavior.

Wegen der hohen Packungsdichte von Bauteilen, z.B. auf Platinen, auf denen u.a. auch Drosseln untergebracht sind, ist es von größter Wichtigkeit, Spulenkerne zu ver wenden, deren Streufelder auch in unmittelbarer Nachbar schaft so schwach sind, daß Störungen vernachlässigbar klein sind.Because of the high packing density of components, e.g. on Circuit boards on which also chokes housed it is of the utmost importance to use coil cores turn, their stray fields also in the immediate vicinity are so weak that interference is negligible are small.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spulen kern von der eingangs genannten Art anzugeben, der nicht lineares Verhalten im oben erläuterten Sinne zeigt und dessen Streufelder gegenüber den in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen noch weiter verringert sind.The invention has for its object a coil core of the type mentioned at the beginning, which is not shows linear behavior in the sense explained above and its stray fields compared to those in the above German patent application embodiments described are reduced even further.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kern Hohlräume enthält, die mit magnetisch neutralem Material ausgefüllt sind.This object is achieved in that the core has cavities contains filled with magnetically neutral material are.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung enthält der Anspruch 2; Anspruch 3 gibt ein Verfahren zur Herstellung eines Spulenkerns an.Claim 2 contains an advantageous embodiment; Claim 3 gives a method for producing a Core.

Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Er findung näher beschrieben werden.An embodiment of the Er be described in more detail.

Fig. 1 zeigt die Einsatzmöglichkeit einer Drosselspule bei Durchflußwandlern, Fig. 1 shows the possible use of a choke coil in Durchflußwandlern,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spulenkern, der nach der erfindungsgemäßen Lehre gestaltet ist. Fig. 2 shows a section through a coil core, which is designed according to the teaching of the invention.

Die Bedeutung der Fig. 1 ist in der Beschreibungsein leitung eingehend erläutert worden; die Drosselspule Lo 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.The meaning of FIG. 1 has been explained in detail in the description description; the inductor Lo can be easily replaced by a coil with features according to the invention. However, the replacement becomes economically significant only when the switch S is operated with a sufficiently high switching frequency (greater than 100 kHz).

Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch einen Ringkern RK mit erfindungsgemäßen Merkmalen dar; bei dem Schnitt nach Fig. 2 liegt die Achse A der Kernes in der Schnitt fläche. Der abgebildete Ringkern RK hat zwei Hohlräume H 1 und H 2, die mit magnetisch neutralem Material, z.B. mit einer Keramik, gefüllt sind. (Unter magnetisch neutralen Materialien sind solche mit geringer magnetischer Permeabilität zu verstehen). Die Hohlräume sind vollstän dig von Ferrox-Cube-Material umgeben, so daß Streufelder, die wegen der unterschiedlichen Permeabilität des Kern materials und der Hohlräume entstehen, außerhalb des Ringkernes nicht bemerkbar sind. Durch die geometrischen Abmessungen der Hohlräume läßt sich die spezielle Form der Magnetisierungskennlinie des Kernes beeinflussen und damit auch das spezielle nichtlineare Verhalten einer Drossel, die einen Kern nach Fig. 2 enthält. Figs. 2 shows a section through an annular core with RK inventive features are; in the section according to Fig. 2, the axis A is the core in the cut surface. The ring core RK shown has two cavities H 1 and H 2 , which are filled with magnetically neutral material, for example with a ceramic. (Magnetically neutral materials are to be understood as those with low magnetic permeability). The cavities are completely surrounded by Ferrox Cube material, so that stray fields that arise due to the different permeability of the core material and the cavities are not noticeable outside the toroidal core. The geometrical dimensions of the cavities can influence the special shape of the magnetization characteristic of the core and thus also the special non-linear behavior of a choke that contains a core according to FIG. 2.

Bekanntlich werden Ferrox-Cube-Kerne aus pulverförmigen Ferrox-Cube-Material hergestellt. Das Pulver wird mit einem Bindemittel versetzt und dann unter hohem Druck in einer Preßform z.B. in eine ringförmige Gestalt ge bracht. Der gepresste Kern wird anschließend gesintert. Lagert man vor dem Fressen des Kernes in die mit Binde mittel versetzte Masse z.B. Keramikkörper so ein, daß sie von allen Seiten mit Ferrox-Cube-Material umgeben sind, so enthält der gepresste Kern schon die Hohlräume, die zu einem nichtlinearen Verhalten führen. Die Keramikkörper werden auch durch die anschließende Sinterung nicht zer stört, daher enthält der Kern auch nach der Sinterung die gewünschten Hohlräume.As is well known, Ferrox Cube cores are made from powder Ferrox Cube material made. The powder comes with added to a binder and then under high pressure in a mold e.g. into an annular shape brings. The pressed core is then sintered. Before eating the core, store it in the bandage medium offset mass e.g. Ceramic body so that it are surrounded on all sides with Ferrox Cube material, the pressed core already contains the cavities that are closed lead to a non-linear behavior. The ceramic body are also not destroyed by the subsequent sintering disturbing, therefore the core contains the after sintering desired cavities.

Claims

1. Coil core of a ring-like shape made of magnetically saturable material, which contains at least one cut surface made of magnetic material of its cross section, which is smaller than corresponding cut surfaces of its surroundings, characterized in that the core ( RK ) cavities ( H 1 , H 2 ) contains, which are filled with magnetically neutral material.

2. coil core according to claim 1, characterized in that the cavities ( H 1 , H 2 ) are completely surrounded by magnetically saturable material.

3. A method for producing a coil core according to An saying 2, characterized in that the core material made of Ferrox Cube material that before pressing and Sintering the core deposits made of magnetically neutral Material is introduced into the mold so that it are completely enclosed by Ferrox Cube material.