DE3901792A1 - Ringkern aus ferrit- oder eisenpulvermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringkern aus Ferrit- oder Eisenpulvermaterial.

Für die Versorgung elektronischer Geräte werden Stromver­ sorgungseinrichtungen benötigt, die eine oder mehrere Gleichspannungen liefern. In der Regel wird eine Stabili­ sierung dieser Gleichspannungen und galvanische Trennung verlangt. Bei getakteten Stromversorgungseinrichtungen sind die Grundtypen Sperrwandler und Durchflußwandler zu unterscheiden. Die z.B. aus der Netzspannung durch Gleichrichtung und Siebung gewonnene Gleichspannung wird mit Hilfe eines schnellschaltenden Transistors in eine Rechteckspannung umgewandelt. Diese wird mit Hilfe eines Transformators übersetzt, der die galvanische Trennung und im Fall des Sperrwandlers auch die Energiespeicherung übernimmt. Anschließend wird gleichgerichtet und ge­ siebt. Beim Sperrwandler fließt nur während der Sperrpha­ se im Sekundärkreis ein Strom, während bei einem Durch­ flußwandler während der Leitphase Energie in den Last­ kreis übertragen wird, wobei eine Speicherdrossel Energie aufnimmt. Während der Sperrphase fließt beim Durchfluß­ wandler der Strom aus der Speicherdrossel weiter über ei­ ne Freilaufdiode zur Last.

Dabei bestimmt die Induktivität der Speicherdrossel das elektrische Verhalten der gesamten Stromversorgungsein­ richtung maßgeblich. Eine Speicherdrossel mit hoher In­ duktivität bewirkt eine geringe Stromwelligkeit, jedoch verschlechtern sich mit zunehmendem Induktivitätswert die dynamischen Eigenschaften bei Lastwechseln. Außerdem wird die Drossel größer und somit teurer. Bei getakteten Stromversorgungseinrichtungen werden Ringkerne aus Fer­ ritmaterial aufgrund ihres kleinen Volumens und hohen Wirkungsgrades verwendet.

In dem Aufsatz "Nichtlineare Speicherdrosseln mit Ferrit­ kern" in Elektronik 1, 1985, Seiten 72 bis 74, von W. Rößler, werden speziell für den Einsatz in Durchflußwand­ lern geeignete Speicherdrosseln beschrieben, die nichtli­ neares Verhalten zeigen. Das Verhalten bei großem Magne­ tisierungsstrom entspricht dabei einer Speicherdrossel mit großem Luftspalt, d.h. die Induktivität der Speicher­ drossel nimmt für hohe Magnetisierungsströme ab, während bei kleinem Magnetisierungsstrom die Induktivität der Speicherdrossel stark zunimmt. Erreicht wird dieses nichtlineare Verhalten durch einen dachförmig angeschräg­ ten Mittelbutzen einer Kernhälfte. Dadurch, daß der Be­ reich der Schräge des Ferritkernes schon bei kleinem Mag­ netisierungsstrom in die Sättigung geht, stellt sich die Induktivität der Speicherdrossel dynamisch auf die Last ein und wirkt wie ein variabler Luftspalt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ringkern der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem mit einfa­ chen Mitteln das Verhalten der Induktivität in Abhängig­ keit des Magnetisierungsstromes veränderbar ist und der als Speicherdrossel oder als Transformator in getakteten Stromversorgungseinrichtungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Ringkern der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß der Ringkern eine Einlage aus permanentmagnetischem Material aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figu­ ren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsbei­ spiele eines Ringkernes aus Ferritmaterial.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Induktivität verschiedener Speicherdrosseln als Funktion des Magnetisierungsstromes.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Ringkernes 1, der aus zwei etwa deckungsgleichen Tei­ len 3, 8 zusammengesetzt ist. Das erste Teil 3 besteht aus Ferritmaterial, während das zweite Teil 8 aus perma­ nentmagnetischem Material besteht. Um den aus den Tei­ len 3 und 8 zusammengefügten Ringkern 1 sind Wicklungen in bekannter Weise angeordnet. Durch diese Anordnung wird das Verhalten der Induktivität des Ringkernes so verän­ dert, daß sie im Vergleich zu der Induktivität eines Ringkernes ohne permanentmagnetische Einlage erst bei hö­ heren Magnetisierungsströmen einer solchen, z.B. in einem Durchflußwandler, eingesetzten Speicherdrossel abnimmt (Fig. 5). Somit sind höhere Lastströme des Durchflußwand­ lerkreises möglich, ohne daß die Speicherdrossel in die Sättigung geht.

Fig. 2 stellt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Schnitt durch einen Ringkern 1 aus Ferritmaterial dar. Der Ringkern 1 weist einen Hohlraum auf, der mit perma­ nentmagnetischem Material 2 gefüllt ist. Durch die geome­ trischen Abmessungen des Hohlraumes sowie gegebenenfalls durch die Anordnung weiterer Hohlräume mit permanentmag­ netischer Einlage lassen sich die spezielle Form der Mag­ netisierungskennlinie des Kernes beeinflussen und damit auch das spezielle nichtlineare Verhalten einer Speicher­ drossel eines Durchflußwandlerkreises oder eines Trans­ formators eines Sperrwandlers. Um mechanische Spannungen zu verhindern wird bei einer weiteren Ausgestaltungsform zwischen dem Ringkern 1 aus Ferritmaterial und dem perma­ nentmagnetischen Material 2 ein ausgleichendes Medium eingebracht.

Fig. 3 zeigt einen Ringkern 1 aus Ferritmaterial, der einen Luftspalt aufweist, der in bekannter Weise, z.B. durch Sägen oder Fräsen, in den Ringkern 1 eingebracht ist. Der Luftspalt ist mit dem permanentmagnetischen Ma­ terial 2 ausgefüllt. Die Sättigung eines solchen mit Wicklungen versehenen Ringkernes wird dadurch ebenfalls zu höheren Magnetisierungsströmen hin verschoben.

Bei einem weiteren in Fig. 4 dargestellten Ausführungs­ beispiel ist der Luftspalt des Ringkernes 1 als Stufen­ luftspalt ausgebildet. Der so entstandene Luftspalt ist mit dem permanentmagnetischen Material 2 ausgefüllt. Der Ringkern wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit Wicklungen versehen. Damit zeigt eine solche Anordnung aufgrund des Stufenluftspaltes und der perma­ nentmagnetischen Einlage das besondere Verhalten des In­ duktivitäts-Magnetisierungsstromverlaufes 7 der Fig. 5, die bei hohen Magnetisierungsströmen I ein Maximum ihrer Induktivität L zeigt. Somit ist für besondere Anwendungs­ fälle auch bei relativ hohen Strömen, z.B. beim Einsatz eines solchen Ringkernes als Speicherdrossel eines Durch­ flußwandlers, bei hohen Lastströmen eine hohe Induktivi­ tät des Ringkernes erreichbar.

Über die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbei­ spiele hinaus sind weitere Kombinationen der verschiede­ nen Ausführungsformen hinsichtlich der geometrischen Aus­ gestaltung beispielsweise der Ausnehmungen des Ringkernes und der entsprechend angepaßten Einlagen aus permanent­ magnetischem Material möglich.

Fig. 5 zeigt die prinzipiellen Verläufe 4, 5, 6 und 7 der Induktivität verschiedener Speicherdrosseln als Funk­ tion ihres Magnetisierungsstromes I. Die den Verläu­ fen 4, 5, 6 und 7 zugrundeliegenden Speicherdrosseln be­ stehen aus einem Ringkern aus Ferritmaterial. Die Kurve 4 zeigt den Induktivitätsverlauf einer Speicherdrossel mit permanentmagnetischer Einlage des Ringkernes entsprechend den Fig. 1 bis 3. Weiterhin sind der Induktivitätsver­ lauf 5, der Induktivitätsverlauf 6 einer Speicherdrossel mit Luftspalt ohne permanentmagnetische Einlage sowie der Induktivitätsverlauf 7 einer Speicherdrossel entsprechend der Fig. 4 mit Stufenluftspalt und permanentmagnetischer Einlage dargestellt. Der Induktivitätsverlauf 5 einer Speicherdrossel ohne Luftspalt und ohne permanentmagneti­ sche Einlage zeigt bei niedrigen Magnetisierungsströmen I eine hohe Induktivität der Speicherdrossel, die aber bei steigendem Magnetisierungsstrom wegen der Sättigung des Spulenkernes stark abnimmt. Weist eine solche Speicher­ drossel einen Luftspalt auf, so erhält man den Induktivi­ tätsverlauf 6. Die Induktivität ist insgesamt geringer aber über einen weiten Strombereich konstant. Die Sätti­ gung des Ringkernes wird zu höheren Magnetisierungsströ­ men hin verschoben. Bei dem Induktivitätsverlauf 4 ist das Abfallen der Induktivität zu noch höheren Magnetisie­ rungsströmen hin verschoben. Dies wird durch das Einbrin­ gen des permanentmagnetischen Materiales in den Ferrit­ ringkern, z.B. entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3, erreicht. Dadurch sind auch bei hohen Lastströmen eines Durchflußwandlerkreises mit einer Spei­ cherdrossel mit einem Ferritringkern mit permanentmagne­ tischer Einlage höhere Lastströme möglich. Damit ist auf einfache Weise das Verhalten der Induktivität L in Abhän­ gigkeit aus Magnetisierungsströmen I veränderbar. Bei stark verkleinertem Bauteileaufwand können hohe Indukti­ vitäten erzeugt werden sowie aufgrund der hohen Indukti­ vitäten L hohe Energien gespeichert werden.

Das Verhalten der Magnetisierungskennlinie läßt sich wei­ ter beeinflussen, wenn der Luftspalt als Stufenluftspalt ausgebildet ist, in den ebenfalls eine Einlage aus perma­ nentmagnetischem Material eingebracht ist (Fig. 4). Eine solche Magnetisierungskennlinie 7 weist bei hohen Magne­ tisierungsströmen I ein Maximum ihrer Induktivität L auf. Die Kombination Stufenluftspalt und permanentmagne­ tische Einlage ermöglicht somit eine hohe Induktivität L einer Speicherdrossel oder eines Transformators bei hohen Magnetisierungsströmen I.

Claims (10)

1. Ringkern aus Ferrit- oder Eisenpulvermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) mindestens eine Einlage aus perma­ nentmagnetischem Material (2) aufweist.

2. Ringkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) aus mindestens zwei etwa deckungs­ gleichen Teilen (3, 8) zusammengefügt ist, wobei das Teil (8) aus permanentmagnetischem Material besteht.

3. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) mindestens einen Hohlraum aufweist der mit dem permanentmagnetischen Material (2) ausgefüllt ist.

4. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringkern (1) und dem permanentmagneti­ schen Material (2) ein ausgleichendes Medium eingebracht ist.

5. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) einen Luftspalt aufweist.

6. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt als Stufenluftspalt ausgebildet ist.

7. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt mit dem permanentmagnetischen Materi­ al (2) gefüllt ist.

8. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) als Transformator oder als Speicher­ drossel für getaktete Stromversorgungseinrichtungen vor­ gesehen ist.

9. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) eine Magnetisierungskennlinie (5) aufweist, die im Vergleich zur Magnetisierungskennli­ nie (6) eines Ringkernes ohne permanentmagnetische Einla­ ge erst bei höheren Magnetisierungsströmen (I) eine Ab­ nahme der Induktivität (L) zeigt.

10. Ringkern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) eine Magnetisierungskennlinie (7) aufweist, die bei hohen Magnetisierungsströmen (I) ein Maximum der Induktivität (L) zeigt.