DE60033238T2

DE60033238T2 - Kern-spulenanordnung für induktivität und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60033238T2
Application number: DE60033238T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Yoshimori; Ryusuke Morristown HASEGAWA
Original assignee: Metglas Inc
Current assignee: Metglas Inc
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: AU1955501A; KR100788989B1; ATE353160T1; US6512438B1; WO2001045118A1; JP2003517196A; EP1238401A1; CN1434974A; TW498367B; DE60033238D1; KR20030007389A; EP1238401B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Induktorkern-Spulenanordnung zur Verwendung als magnetische Komponenten in elektrischen und elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise Wandlern, Invertern, Rauschfiltern, Resonanzschaltungen und dergleichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenwärtig werden zwei Arten von Magnetkernen vielfach bei den induktiven Komponenten in elektrischen und elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise Wechselstrom/Gleichstrom- und Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern, Invertern, Filtern für elektronisches Rauschen, elektronische Resonanzschaltungen und dergleichen, verwendet. Eine Art ist ein torusförmiger Kern ohne physikalischen Spalt, und die andere umfasst mindestens einen Spalt. In beiden Fällen muss eine Kupferwicklung/müssen Kupferwicklungen an dem Kern angebracht werden, um einen magnetischen Induktor zu bilden. Wenn die erforderliche Kupferdrahtgröße dünn ist, kann die Kupferwicklung automatisiert werden, und Gerät für einen derartigen Vorgang ist verfügbar. Aufgrund der Natur dieses Vorgangs erfordert jedoch derartiges Gerät einen Drahthandhabungsmechanismus ähnlich dem einer Nähmaschine, die biegsame Fäden verwendet. Wenn die Drahtgröße dick ist, wird ein derartiger automatisierter Prozess schwierig, und manuelle Kupferwicklung ist eine Standardpraxis. Es ist daher wünschenswert, den existierenden Kupferwicklungsmechanismus zu vereinfachen, der ermöglicht, die Wicklungsproduktivität im Allgemeinen zu verbessern und den manuellen Wicklungsvorgang für die Komponenten, die dicke Drähte erfordern, zu beseitigen. Die JP 07-263261 offenbart ein Induktivitätselement mit einem beringten Kern, das einen Magnetspalt, ein Kerngehäuse, das den ringförmigen Kern umgibt, und eine Wicklung, die um das Kerngehäuse gewickelt ist, aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine Kern-Spulenanordnung, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt. Ein Magnetkern umfasst mindestens einen physikalischen Spalt, und eine isolierte Kernanordnung wird durch Beschichten des Magnetkerns mit Spalt mit einem elektrischen Isolator oder Abdecken desselben mit einem isolierenden Gehäuse gebildet, das einen physikalischen Spalt aufweist, dessen Abmessung nahe dem des Magnetkernspaltes ist. Ein Kupferdraht läuft durch den Spalt des Kerns oder der Kernanordnung, um auf dem Kern oder der Kernanordnung gewickelt zu werden. Die Kupferdrahtwicklung wird ebenfalls durch Drehen des Kerns oder der Kernanordnung um die tangentiale Richtung des Umfangs des Kerns oder der Kernanordnung durchgeführt. Um die magnetische Leistung eines Kerns mit Spalt zu verbessern, wird ein nicht herkömmlicher Spalt eingeführt, dessen Richtung tangential zu der radialen Richtung eines torusförmig gewickelten Kerns ist. Der magnetisch verbesserte Kern mit einem nicht herkömmlichen Spalt kann in einem herkömmlichen Kerngehäuse ohne Spalt untergebracht werden, und eine Kupferwicklung kann daran angebracht werden, um ihn als einen Induktor zu verwenden. Der Kupferwicklungsteil kann andererseits getrennt vorgefertigt werden, und ein Kern oder eine Kernanordnung mit Spalt wird dann in die vorgefertigte Spule durch den Spalt eingeführt. Der Spaltabschnitt des Kerns oder der Kernanordnung kann mit einem magnetischen oder nicht-magnetischen Abstandhalter während oder nach dem Spulenwicklungsvorgang gefüllt werden. Das Kern-Spulenanordnungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist viel einfacher als das existierende Verfahren und ist somit voll oder halb automatisiert, wobei die Kern-Spulenanordnungs-Fertigungsausbeute mit konsistenter Leistung verbessert wird.
Die Kern-Spulenanordnung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verwendung bei derartigen Vorrichtungen, wie Leistungswandlern, Invertern, elektrischen Rauschfiltern, elektrischen Resonatoren und dergleichen, geeignet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird vollständiger verstanden und weitere Vorteile werden offensichtlich, wenn Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen genommen wird:
1 stellt eine Kern-Spulenanordnung dar, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ist, die jedoch für Referenzzwecke nützlich ist;
2 zeigt eine Kern-Anordnungskonfiguration der Kern-Spulenanordnung von 1;
3 ist eine schematische Beschreibung der Induktivität als Funktion des Gleichstrom-Biasstroms für unterschiedliche Kern-Spulenkonfigurationen gemäß 1;
4 stellt eine Kern-Spulenanordnung der vorliegenden Erfindung dar;
5 gibt die physikalische Konfiguration der Kernanordnung der Kern-Spulenanordnung von 4 an;
6 zeigt eine vorgefertigte Spulenkonfiguration für die Kern-Spulenanordnung von 4;
7 zeigt einen Prozess zum Fertigen einer Kern-Spulenanordnung von 4 mit einer vorgefertigten Spule;
8 zeigt einen Fall, in dem der Querschnitt des Kupferdrahts der Kern-Spulenanordnung von 4 rund ist;
9 zeigt einen Fall, in dem der Querschnitt des Kupferdrahts der Kern-Spulenanordnung von 4 rechteckig ist;
10 zeigt einen Fall, in dem der Querschnitt des Kupferdrahts der Kern-Spulenanordnung von 4 trapezförmig ist;
11 zeigt eine Kern-Spulenanordnung eines Stands der Technik;
12 zeigt eine Kernanordnung eines Stands der Technik;
13 stellt einen vorbekannten Prozess zum Wickeln einer Kupferspule dar;
14 zeigt die Induktivität bei 1 kHz als Funktion der Gleichstrom-Biasstromkennlinie der Kern-Spulenanordnungen der vorliegenden Erfindung, wobei die Kurven A und B den Kern-Spulenanordnungen von 4 bzw. 1 entsprechen, die eine Spaltgröße von 1 mm aufweisen; und
15 zeigt einen Kernverlust bei unterschiedlichen Frequenzen als eine Funktion der magnetischen Induktion für die Kern-Spulenanordnung der vorliegenden Erfindung, wobei die Kurven A und B den Kern-Spulenanordnungen von 4 bzw. 1 entsprechen, die eine Spaltgröße von 1 mm aufweisen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein einfacheres Herstellungsverfahren für eine Magnetkern-Spulenanordnung verbessert ihre Leistung sowie auch ihre Fertigungsfähigkeit durch automatisierte Prozesse. 1 stellt eine Kern-Spulenanordnung dar. Der Kern 1 ist aus einem Magnetkern 11 mit einem Spalt 11a der Breite oder Größe G und zweiteiligen isolierenden Gehäusen 12 und 13 mit Spalten 12a und 13a, jeweils wie in 2 gezeigt ist, zusammengesetzt. Eine Kupferwicklung 2 mit Zuleitungen 23 und 24 wird an dem Gehäuse angebracht. Ein Abstandshalter 3 kann in den Spalt 11a eingefügt werden.
3 vergleicht die Gleichstrom-Biaskennlinie für die Induktivität einer Kern-Spulenanordnung von 1. Die Regionen A und B entsprechen der "aktiven" bzw. "inaktiven" Gleichstrom-Biasregion, wenn eine Steuerkern-Spulenanordnung als eine Drosselspule verwendet wird, die eine Induktivität als Funktion der Gleichstrom-Bias-Stromkennlinien entsprechend der Kurve C aufweist. Hier bedeuten die Begriffe "aktiv" und "inaktiv", dass die Drosselspule als ein wirksamer bzw. unwirksamer Induktor arbeitet. Wenn der Spalt G verkleinert oder die Anzahl der Kupferwicklungen in 1 mit Bezug auf die Steuernkern-Spulenanordnung vergrößert wird, verschiebt sich die Induktivität als Funktion der Gleichstrom-Bias-Stromkurve zu der Kurve, die durch C' angegeben wird. Wenn der Spalt G vergrößert und/oder die Anzahl von Kupferwicklungs-Windungen bezogen auf die Steuerkern-Spulenanordnung verkleinert wird, ergibt sich die Kurve C''.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird noch ein weiteres Verfahren zur Fertigung einer Kern-Spulenanordnung bereitgestellt. Ein Beispiel der Kern-Spulenanordnung wird in 4 gezeigt, wobei das Element 6 ein Abstandshalter mit einer Breite G, das Element 4 eine Kernanordnung und 5 eine Kupferwicklung mit zwei Zuleitungen 53 und 54 darstellt. 5 ist eine Draufsicht einer Kernanordnung 4, wobei C die Mitte der torusförmigen Kernachse ist. Der Kern weist einen Spalt 40 auf, dessen Mitte von der "Y"-Achse (X = 0) bis zu X = ZQ – G/2 verschoben ist, wobei ZQ der Abstand zwischen Z und dem einen Ende des Spalts ist, wie in 5 angegeben ist. Wie in 5 gezeigt, ist die Ebene QT tangential zu dem inneren Kreis der Kernanordnung, wenn ZQ = ZR ist, wobei ZR der Innendurchmesser der Kernanordnung ist. 6 zeigt eine vorgefertigte Spule 50, deren innere Abmessung derart ist, dass die Kernanordnung in diese Spule eingefügt werden kann. Beispielsweise sollte der Abstand H in 6 geringfügig größer als die Kernanordnungsbreite W in 5 sein. 7a zeigt, wie eine vorgefertigte Spule 50 durch einen Spalt 40 in eine Kernanordnung von 5 eingepasst wird. Wenn die Spule 50 auf der Kernanordnung 4 platziert ist, kann ein Abstandshalter 6 in den Spalt 40 eingefügt werden, wie in 7b gezeigt ist, und die Spulenkonfiguration kann modifiziert werden, um eine gleichmäßige Verteilung von Kupferwicklungen an der Kernanordnung aufzuweisen, wie in 7c gezeigt ist. Die Spule in 6 und 7 weist eine rechteckige Form auf, wobei jedoch eine zylinderförmige Spule für den gleichen Zweck verwendet werden kann. Der Abstandshalter 6 von 4 kann aus einem magnetischen oder nicht-magnetischen Material sein. Wenn der Abstandshalter 6 elektrisch leitend ist, kann seine Oberfläche mit einer Schicht aus isolierendem Band oder isolierender Beschichtung abgedeckt sein. Somit führt der obige Prozess zu einer Kern-Spulenanordnung von 4 mit Zuleitungen 53 und 54.
Die Vorteile der obigen Kern-Spulenanordnung umfassen eine getrennte Fertigung der Kernanordnung und der Kupferspule, wobei jeder Prozess mit einfachem und kostengünstigem Gerät voll oder halb automatisiert ist. Außerdem kann aufgrund des vergrößerten Oberflächenbereichs in den Regionen mit Spalt des Magnetkerns die Spaltbreite G in 5 von der Spaltbreite eines Kerns von 1 mit den gleichen physikalischen Abmessungen wie die von 5 vergrößert werden, wobei die gleiche wirksame Gesamtpermeabilität beibehalten wird. Wenn die Spaltgröße unverändert bleibt, nimmt andererseits die wirksame Permeabilität zu und der Kernverlust ab, wenn die Kern-Spulenanordnungs-Konfiguration von 4 vor der von 1 angenommen wird. Die verbesserte magnetische Leistung der Kernkonfiguration von 5 wird ebenfalls in einer Kern-Spulenanordnung erreicht, bei der das äußere Kerngehäuse keinen Spalt aufweist, was dem Fall entspricht, in dem eine automatische Spulenwicklung kein Thema darstellt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die ein Mittel für automatisierte Spulenwicklungsprozesse für Magnetkerne bereitstellt, ist die vorgefertigte Spule 50 von 7a nicht nur ein Draht mit kreisförmigem Querschnitt 51 von 8b, was zu einer Kern-Spulenanordnung mit einer Draufsicht von 8a führt, bei der der Spalt 6a, die Spule 5 und die Kernanordnung 4 angegeben sind, sondern ebenfalls ein Draht mit einem rechteckigen Querschnitt 55 von 9b, was zu einer Kern-Spulenanordnung von 9a und einem Draht mit trapezförmigem Querschnitt 56 von 10b führt, was zu einer Kern-Spulenanordnung von 10a führt. Die Kern-Spulenanordnung von 10a hilft, den Querschnitt des Kupferdrahts zu erhöhen, was zu einem vergrößerten Packbereich für die elektrische Leitung führt, was seinerseits die Größe der Kern-Spulenanordnung und Zwischenwicklungskapazität verringert. Außerdem macht es die Spulenkonfiguration von 10a aufgrund der Geometrie des Querschnitts der in 10b gezeigten Spule leichter, eine vorgefertigte Spule 50 von 7 zu bilden.
Um den Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik zu zeigen, sind 11 bis 13 vorgesehen. 11 stellt eine Kern-Spulenanordnung eines Stands der Technik dar, wobei die Kernanordnung 7 eine Kupferwicklung 8 mit elektrischen Zuleitungen 83 und 84 aufweist. 12 zeigt einen Magnetkern 71 mit einem Spalt G und zwei Hälften 72 und 73 eines isolierenden Gehäuses. 13a stellt eine Kernanordnung 7 dar, die ein Loch 70 in der Mitte einer torusförmigen Kernanordnung aufweist. 13b zeigt den Anfang eines Spulenwicklungsprozesses, bei dem ein Kupferdraht 81 mit seinem Ende 81a durch das Loch 70 einer Kernanordnung von 13a geführt wird. Eine anschließende Kupferwicklung wird durchgeführt, wie in 13c gezeigt ist. Der in 13b bis 13c dargestellte Kupferwicklungsprozess erfordert einen mechanischen Prozess ähnlich dem einer Nähmaschine.
BEISPIELE
1. Probenvorbereitung
Magnetkerne wurden durch Konsolidieren von Magnetpulver oder Wickeln eines magnetischen Metallbandes auf einem Dorn vorbereitet. Wenn notwendig, wurden die Kerne dann wärmebehandelt, um erforderliche magnetische Eigenschaften zu erreichen. Die Kerne wurden durch ein schleifendes Schneidwerkzeug oder durch einen Wasserstrahl geschnitten, um einen Spalt einzufügen. Kupferwicklungen wurden an jedem Kern für magnetische Messungen angebracht.
2. Magnetische Messungen
Die Induktivität einer Kern-Spulenanordnung wurde durch eine handelsüblich verfügbare Induktivitätsbrücke gemessen, und der Magnetkernverlust des Kerns wurde durch das bei dem IEEE-Standard 393-1991 beschriebene Verfahren gemessen.
3. Magnetische Eigenschaften von Kern-Spulenanordnungen
Die Kern-Spulenanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde ausgewertet. 14 vergleicht die bei 1 kHz gemessene Induktivität als eine Funktion von Bias-Strom für zwei Arten von Kern-Spulenanordnungen, eine mit der Konfiguration von 4, die zu einer Kurve A führte, und der anderen entsprechend 1, die zu einer Kurve B führte. Die Größe der Kerne für beide Fälle betrug 22 mm × 15 mm × 15 mm für den Außendurchmesser, den Innendurchmesser bzw. die Kernhöhe. Der Spalt G betrug 1 mm für beide Fälle. Das Kernmaterial war aus Eisenpulver. Die Kern-Spulenkonfiguration von 4 zeigte eine höhere Induktivität als die von 1 bei niedrigem Bias-Strom, wobei die Tendenz davon bei höheren Bias-Strompegeln umgekehrt wurde. Hinsichtlich der in 3 dargestellten Fälle gibt dies an, dass die Spaltgröße G ohne Beeinflussen der Induktivität als Funktion der Bias-Stromeigenschaften vergrößert werden kann, wenn die Kernanordnungskonfiguration von 4 vor der von 1 angenommen wird. Die vergrößerte Spaltgröße macht den Kern-Spulenanordnungsprozess von 7 leichter. Die Kern-Spulenanordnung von 4 stellt eine höhere Permeabilität oder niedrigere Gleichstrom-Bias-Region verglichen mit der von 1 bereit, ohne die Spaltgröße zu verringern.
Die Kernverluste der beiden Arten von Kernen von 14 wurden bei unterschiedlichen Frequenzen als eine Funktion der magnetischen Induktion gemessen, die in 15 gezeigt werden. Es ist offensichtlich, dass der Kernverlust bei jeder gegebenen Frequenz niedriger für die Kern-Spulenkonfiguration von 4 entsprechend den Kurven A als die von 1 entsprechend den Kurven B ist, wobei beide davon die gleiche Spaltgröße aufweisen.
Nachdem die Erfindung somit ziemlich vollständig detailliert beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass man diesem Detail nicht streng folgen muss, sondern dass weitere Änderungen und Modifikationen einem Fachmann in den Sinn kommen können, die innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Kern-Spulenanordnung (4) umfassend: einen Magnetkern mit Spalt (11), der einen Umfang, einen Innenradius und einen Spalt (40) aufweist, wobei sich der Spalt durch den Magnetkern in einer Richtung tangential zu dem Innenradius des Magnetkerns erstreckt; und Drahtwicklungen (5), die um den Magnetkern gewickelt sind.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1, die ferner eine isolierende Schicht oder ein Gehäuse (12, 13) umfasst, die/das den Magnetkern mit Spalt (11) aufnehmen.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 2, die ein isolierendes Kerngehäuse (12, 13) auf Harzbasis umfasst.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 2, die eine äußere Schicht basierend auf elektrisch isolierender Farbe und dergleichen umfasst.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Magnetkern mit Spalt (11) aus einer amorphen Legierung, einer teilweise kristallisierten amorphen Legierung, einer nanokristallinen Legierung, einer kristallinen Legierung oder einem Metall oder einem gesinterten magnetischen Pulver hergestellt ist.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1, die ferner einen in den Spalt (40) eingefügten Abstandshalter (3) umfasst.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruchs 6, bei der der Abstandshalter (3) auf magnetischen oder nicht-magnetischen Materialien oder einem Gemisch davon basiert.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der Magnetkern mit Spalt in einem Kerngehäuse ohne einen Spalt untergebracht ist.
Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Drahtwicklungen Kupferdrahtwicklungen sind und der Querschnitt der Kupferdrahtwicklungen rund, rechteckig oder trapezförmig ist.
Verwendung einer Kern-Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2 als induktives Bauteil bei elektrischen und elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise AC/DC- und DC/DC-Wandlern, Invertierern, Rauschfiltern, elektronischen Resonanzschaltungen und dergleichen.