DE3801542A1 - Speicherdrossel zur speicherung magnetischer energie und zur glaettung pulsierender laststroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicherdrossel zur Speicherung magnetischer Energie und zur Glättung pulsierender Lastströme, die eine in Vergußmasse, z.B. Epoxidharz, eingebettete Wicklung aufweist, die von einem Kern aus weichmagnetischem Werkstoff umhüllt ist.

Zur Glättung ausgangsseitiger pulsierender Lastströme von Gleichrichterschaltungen, z.B. in Schaltnetzteilen, benötigt man eine an den Laststromkreis angeschlossene Speicherdrossel mit einem weichmagnetischen Kern, der - wie an sich bekannt ist - gegebenenfalls ein- oder mehrfach geschert ist und aus nieder­ permeablem ungeschertem NiFe-Pulver bestehen kann.

Durch die Speicherdrosseln wird die Stromwelligkeit der Last­ ströme möglichst gering gehalten und insbesondere bei sehr klei­ ner Last ein Lücken des Laststromes verhindert, wodurch eine einfache und genaue Regelung der Ausgangsspannungen eines Schalt­ netzteiles möglich ist.

Bisher übliche Speicherdrosseln haben einen weichmagnetischen, hochpermeablen Kern mit Luftspalt oder einen niederpermeablen Eisen-Nickeleisenpulverkern, der jeweils isoliert ist und eine einzige vom Laststrom durchflossene Wicklung trägt. Als Kerne werden E-, RM- und Ringkerne verwendet, die geschert sind, um eine Sättigung durch den Laststrom zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Speicherdrossel gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs zur Glät­ tung ausgangsseitiger pulsierender Lastströme, z.B. getakteter Stromversorgungen, wobei die Speicherdrossel insbesondere für hohe Taktfrequenzen (f _T =100 kHz) geeignet und im Vergleich zu bisher üblichen Speicherdrosseln dieser Art sich bei kompak­ ten Abmessungen und geringem Fertigungsaufwand durch ein wesent­ lich höheres LI-Produkt auszeichnen soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Speicher­ drossel gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als Kernform eine geschlossene Topfkernform und als Werkstoff für diese Kern­ form NiFe-Pulververbundwerkstoff oder Karbonyleisen vor.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere sogenannte CC-Kerne, d.h. Glockenkerne mit Mittelbutzen, die jeweils mittels einer Abdeck­ scheibe geschlossen sind, die Durchbrechungen zur Herausführung der Wicklungsenden aufweist, eine sehr vorteilhafte Kernform für kompakte Speicherdrosseln darstellen. Diese z.B. im Siemens- Datenbuch 1986/87 "Ferrite", S. 375 bis 380 aufgeführten CC-Ker­ ne ermöglichen, bezogen auf das Volumen der einbaufertigen Spei­ cherdrossel ein wesentlich höheres LI-Produkt als bisher übliche lineare Speicherdrosseln. Durch die Topf- bzw. Glockenform des Kerns kenn außerdem auf ein äußeres Kunststoffgehäuse verzichtet werden.

Der im Vergleich zu Ringkernen bekannter Speicherdrosseln gerin­ gere Wickelraum der CC-Kerne stellt für den Einsatz der Speicher­ drossel als lineare Speicherdrossel meist keinen Nachteil dar, da die Windungszahlen der Wicklungen für die erforderlichen Nenn­ induktivitäten (20 . . . 500 µH) verhältnismäßig gering sind, die Betriebsspannung meist unter 30 V liegt, so daß die Lack­ isolierung des Wicklungsdrahtes auch bei bloßem Kern als Iso­ lation zwischen Kern und Wicklung ausreicht und aufgrund der hohen Stromstärke (meist 10 A) eine vorge­ fertigte, selbsttragende Starkdrahtwicklung ohne Spulenkörper in den Kern eingesetzt werden kann.

Die vorgeschlagene Speicherdrossel besteht somit nur aus Kern, Drahtwicklung insbesondere Kupferdrahtwicklung und Vergußmasse, z.B. Epoxidharz, wodurch die gewünschte kompakte d.h. wenig Raum beanspruchende Drosselform möglich ist. Durch die vollstän­ dige Umhüllung der Wicklung mit magnetisch leitfähigem Material ist zudem ein nur geringes magnetisches Streufeld zu erwarten.

Die vorgenannten CC-Kerne sind zwar, soweit sie aus Ferrit-Werk­ stoff bestehen bekannt; wegen ihrer geringen Sättigungsinduktion sind diese Werkstoffe jedoch für Kerne für Speicherdrosseln we­ niger gut geeignet als die in Verbindung mit dieser Kernform er­ findungsgemäß vorgeschlagenen NiFe-Pulververbundwerkstoffe oder Karbonyleisen-Werkstoffe, die sich durch hohe Sättigungsinduk­ tion, geringe Ummagnetisierungsverluste bei hohen Frequenzen und geringe Frequenzabhängigkeit der Permeabilität auszeichnen.

Bevorzugt ist die Stirnfläche des Mittelbutzens des Glocken­ kerns gegenüber der Stirnfläche der Außenwandung des Glocken­ kerns zurückgesetzt, so daß zwischen der Abdeckscheibe und der Mittelbutzen-Stirnfläche ein Luftspalt entsteht, in den z.B. zur Schaffung einer linearen Speicherdrossel mit Gegenmagneti­ sierung ein Dauermagnet eingefügt sein kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 teils in Draufsicht, teils in geschnittener Sei­ tenansicht und in auseinandergezogener Darstellung eine für ein erstes Ausführungsbeispiel einer Speicher­ drossel nach der Erfindung verwendete Kernform (CC-Kern),

Fig. 4 und 5 eine Draufsicht bzw. eine teils geschnittene Sei­ tenansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Speicherdrossel nach der Erfindung,

Fig. 6 die Hystereseschleife, d.h. den Verlauf der Induktion B über der Feldstärke H des vormagnetisierten Kerns gemäß Fig. 4, 5.

Gleiche Teile in den Fig. 1 bis 5 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist - wie bereits vorstehend angedeutet wurde - lediglich die für eine lineare Speicherdrossel ohne Gegenmagnetisierung verwendete Kernform dargestellt, wie sie z.B. im Siemens-Datenbuch 1986/87 "Ferrite" S. 373 ff gezeigt ist.

Dieser sogenannte CC-Kern besitzt einen Glockenkern 1 mit Mit­ telbutzen 2 samt Mittelbutzenbohrung 3 sowie eine mit zentri­ scher Bohrung 13 ausgestattete Abdeckscheibe 6, die im fertig montierten Zustand der Speicherdrossel unter Bildung eines ent­ sprechenden Luftspaltes auf dem Glockenkern aufliegt. Zur Heraus­ führung der in der Zeichnung nicht dargestellten und in Verguß eingebetteten Wicklung besitzt die Abdeckscheibe 6 randoffene Aussparungen 11, 12.

Als Werkstoff für den Kern nach Fig. 1 bis 3 dient NiFe-Pulver­ verbundwerkstoff; beispielsweise eine Legierung aus diesem Werk­ stoff mit jeweils etwa 50 Gew.-% Anteilen an Ni bzw. Fe.

Bei der gewählten Kernform (CC 26-Kern) - siehe hierzu das genannte Datenbuch, S. 375 - und einer Wicklung mit 20 Windun­ gen, Draht 1.4 LV, R _Cu ungefähr 9,5 m ergibt sich bei einem Drosselvolumen von maximal 15 cm³, was etwa dem geometrischen Kernvolumen entspricht, eine Drossel mit folgenden technischen Daten:

L _N = 60 µH (Nenninduktivität bei I = 0)
I _- = 16 A (Gleichstromanteil)
f _T = 100 kHz (Taktfrequenz)

Durch den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 gezeigten, im Mittelbutzen des Glockenkerns eingeschliffenen Luftspalt ist eine optimale Einstellung der Permeabilität µ des magnetischen Kreises möglich.

Die Drosselspule nach Fig. 4 und 5 besitzt die in Fig. 1 bis 3 bereits gezeigte gleiche Kernform, die wiederum aus dem gleichen Werkstoff besteht.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 weist die in den Wickelraum 4 des Glockenkerns 1 eingebettete Wicklung 3 jedoch 24 Windungen (Draht 1,3 LV) und einen Dauermagneten 8 im Luftspalt 7 auf.

Mit 9, 10 sind die Wickelenden der Wicklung 5 bezeichnet, die durch die randoffenen Aussparungen 9, 10 der Abdeckscheibe nach außen geführt sind.

Durch den in den Luftspalt 7 im Mittelbutzen 2 des Glockenkerns eingefügten Dauermagneten 8 läßt sich der Glockenkern vormagne­ tisieren. Der Dauermagnet 8 wird dabei so eingelegt, daß sein Magnetfeld dem vom Laststrom erzeugten Magnetfeld entgegenge­ richtet ist. Im Ruhezustand (I _-=0) wird dann der Arbeits­ punkt auf der Hystereseschleife (siehe Fig. 6) von der Remanenz B _R des weichmagnetischen Kerns auf den Wert der Remanenz B _RD des Dauermagneten 8 verschoben. Man erhält so einen nutzbaren Induktionshub B _V , der bis zum zweifachen des lnduktionshubes B des nicht vormagnetisierten Magnetkreises betragen känn.

Die technischen Daten der Speicherdrossel nach Fig. 4, 5 betra­ gen:

L _- = 100 µH (reversible Induktivität)
I _- = 16 A
f _T = 100 kHz

Durch die Kombination eines z.B. aus NiFe-Pulververbundwerkstoff oder Karbonyleisen bestehenden geschlossenen Topfkerns insbeson­ dere Glockenkerns mit Abdeckscheibe mit einer Vor- bzw. Gegen­ magnetisierung mittels eines im Luftspalt des Kerns eingelegten Dauermagneten ist die Herstellung sehr kompakter Speicher- oder Glättungsdrosseln möglich, die bei gleichem Volumen gegenüber bisher üblicher Speicherdrosseln dieser Art ein erheblich höhe­ res LI-Produkt bei gleichzeitig geringen Ummagnetisierungsver­ lusten aufweisen.

Claims (4)

1. Speicherdrossel zur Speicherung magnetischer Energie und zur Glättung pulsierender Lastströme, die eine in Vergußmasse einge­ bettete Wicklung aufweist, die von einem Kern aus weichmagneti­ schen Werkstoff umhüllt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kernform eine geschlossene Topf­ kernform und als Kernwerkstoff NiFe-Pulververbundwerkstoff oder Karbonyleisen vorgesehen ist.

2. Speicherdrossel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Topfkernform ein Glocken­ kern (1) mit Mittelbutzen (2) (CC-Kern) vorgesehen ist, der mittels einer Abdeckscheibe (6) geschlossen ist, die Durch­ brechungen (11, 12) zum Herausführen der Wicklungsenden (9, 10) aufweist.

3. Speicherdrossel nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Glockenkern (1) einen im Mittelbutzen (2) eingeschliffenen Luftspalt (7) aufweist.

4. Speicherdrossel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Luftspalt (7) ein Dauer­ magnet (8) eingefügt ist.