-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich auf magnetische Kerne mit verbesserten Selbstkühlungseigenschaften,
insbesondere auf magnetische Kerne umfassend spezielle Elemente,
um intern produzierte Wärme
abzugeben.
-
Beschreibung des Standes der
Technik
-
Magnetische
Kerne, wie Impedanzkomponenten, Spulen und Transformer, werden in
einer Anzahl von elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet.
Insbesondere magnetische Kerne werden bei der Herstellung von Impedanzen,
Stromdrosseln und Transformern von vielen leistungs- oder signalverarbeitenden
Schaltkreisen für
den Zweck von Impedanzübereinstimmung,
Frequenzfiltern, als Energiespeicher in Spannungskonvertern, für eine Leistungsfaktorenkorrektur
und in zahlreichen anderen Fällen
verwendet.
-
Spezieller
sind die Anwendungen von magnetischen Kernen bei der Konstruktion
von longitudinalen Spulen und spannungskompensierenden Spulen in
den Patentanwendungen
EP-A2-0
682 395 und
EP-A2-1
096 634 (nächster
Stand der Technik) in Namen der Anmelderin beschrieben.
-
US-A-5,768,113 beschreibt
eine Hochspannungs- und Hochstromvorsorgung, welche fähig ist, einen
oder mehrere Kondensator mit Hochspannung zu laden. Die Stromversorgung
enthält
einen Spannungsgleichrichterschaltkreis, um an eine AC Quelle einen
Spannungserhöhungsschaltkreis
mit mindestens einen elektronisch kontrollierbaren Schalter, einen
Spannungserhöhungstransformer
mit einer Primärwindung,
die mit dem elektronischen Schalter elektrisch verbunden ist, und
eine Kontrollvorrichtung, um den elektronischen Schalter zu kontrollieren,
anzuschliessen. Die Stromversorgung ist so angeordnet, um den Strom,
der durch die Primärwindungen
fliesst, in einer Weise zu unterbrechen, um zu ermöglichen,
eine Hochspannung von mindestens einer Sekundärwindung des Transformers von
einer anderen Seite des Terminals abzunehmen. Der Erhöhungskreislauf
ist vom nicht-resonanten Typ. Der Transformerkern hat Wärmedissipationsmerkmale, die
permanent an seiner Aussenseite befestigt sind.
-
Magnetische
Spulen und assoziative Kerne sind allgemein in EMC Filtern und in
den meisten Rauschunterdrückungsfiltern
vorhanden. Wegen ihrer vergleichsweise grossen Grösse, tragen
magnetische Komponenten sehr zu der Grösse und den Kosten von solchen
Filtervorrichtung bei.
-
In
vielen Fällen
und besonders in Mittel- und Hochfrequenzanwendungen mit moderaten
oder hohen Kernverlusten, werden gewohnheitsmässig magnetische Kerne aus
magnetischen metallischen Pulvern, typischerweise Eisen- und Permalloy-Pulver, oder
aus anderen magnetischen Pulvern durch ein Verfahren von Pressen
einer Mischung von magnetischem Pulver in einer Gussform der gewünschten Form
und durch adäquates
Binden und durch eine Isolationsphase hergestellt. Das Pulver und
die Bindungsphase werden durch Einwirkung von Wärme und Druck in einen soliden
Kern mit den gewünschten
Eigenschaften zusammengefügt.
-
Alternativ
können
magnetische Kerne durch magnetische Pulver alleine durch einen Sinterprozess
herstellt werden.
-
In
einem weiteren alternativen Verfahren werden magnetische Kerne bei
einer niedrigeren Temperatur und Druck durch Anpassung eines angemessenen
Harzbinders zum Beispiel eine Zweikomponentenaushärtungsverbindung,
ein anderes chemisch aushärtbares
Harz oder ein Niedertemperaturbindeharz gegossen.
-
Andere
magnetische Kerntypen umfassen laminierte Kerne, die meistens für Anwendungen
bei Hauptfrequenzen verwendet werden, und keramische Ferritkerne.
-
In
allen diesen Fällen
entstehen Probleme, um die Wärmeverluste
in dem Kern an die Aussenseite der Spule zu transportieren. Kernverluste
entstehen aus Hysterese und Wirbelspannungen und sind natürlich unvermeidbar,
wenn der Kern einem zeitvariablen magnetischen Fluss unterliegt.
In einigen Fällen
und besonders bei Filtern, Hauptfiltern und EMC Filtern sind Kernverluste
eine gewünschte Charakteristik
der magnetischen Komponenten, weil die Dissipation ungewünschter
Teile des Signals in dem Kern die Last auf den Widerstandselementen des
Schaltkreises reduzieren kann.
-
Solche
Nachteile von bekannten Kernspulen geben die korrespondierenden
Begrenzungen von EMC Filter und Rauschfilter, die solche Spulen
enthalten, wieder.
-
Die
inter produzierte Wärme
muss jedoch wieder an die Aussenseite transferiert werden, um zu vermeiden,
dass die Temperatur die thermische Begrenzung der Spulenisolation
oder den Curiepunkt des magnetischen Materials überschreitet. Wegen der begrenzten
Wärmeübertragungskapazität des Kerns,
sind Kernverluste oft ein grosser limitierender Faktor in der Leistungsbewertung
einer magnetischen Komponente.
-
Magnetische
Kerne 10 werden normalerweise in einer Vielzahl von Formen
hergestellt, von denen einige in der 1 dargestellt
sind. Kernformen sind grundsätzlich
ausgelegt, mit dem Ziel, die Spulenwindung zu vereinfachen und/oder
das magnetische Material am effizientesten zu nutzen. Der Designer
versucht deshalb, das magnetische Material in Zonen mit hoher Flussdichte
zu platzieren und betrachtet Regionen von magnetischem Material,
in welchen der Fluss spürbar
geringer als der Durchschnitt, ist als unnötig.
-
Die
bekannten Kerne 10, die in der 1 dargestellt
werden, sind ein Beispiel von dieser Art der Auslegung. Während diese
Kerne eine minimale Menge von magnetischem Material verwenden, ist die äussere Oberfläche, die
für den
Wärmeaustausch
zur Verfügung
steht, sehr gering. Diese Kerne überheizen
sich deshalb leicht, weil die Wärmedissipation
der Kernverluste in diesem Design sehr uneffizient ist. Als eine
Konsequenz wird der Kerndimensionierungsfaktor in vielen Anwendungen,
in denen Kernverluste moderat oder hoch sind, die Leistungsdissipation
sein, eher als der maximal verfügbare
magnetische Fluss.
-
Wenn
solche magnetische Kerne in der Herstellung eines Filters, zum Beispiel
eine EMC-Filters oder eines Hauptfilters für Rauschstörungsunterdrückung verwendet
werden, trägt
die Grösse
zu der Grösse
und den Kosten der endgültigen
Vorrichtung bei.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es
ist ein Ziel der Erfindung, einen magnetischen Kern zu schaffen,
in welchen die Wärmeverluste
effektiv an die Aussenseite transportiert werden, und deshalb ein
magnetischer Kern, der die Konstruktion von einem kompakteren, leistungsfähigeren
Spulen und magnetischen Komponenten erlaubt.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung einen Filter und
eine Spule dafür
bereitzustellen, die kleinere Grösse
und geringere Kosten aufweisen.
-
Solches
Ziel wird durch die Spule, den Kern und den Schaltkreis mit den
Merkmalen von den Ansprüchen
1 bis 7 in den korrespondierenden Kategorien erreicht. Der Kern
wird durch ein Verfahren gemäss
den Ansprüchen
8 bis 10 hergestellt.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
Die
Erfindung wird besser verstanden mit der Hilfe der Beschreibung
von einem Ausführungsbeispiel,
das als Beispiel angegeben und durch die Figuren illustriert wird,
wobei zeigen
-
1 zeigt
eine Serie von Ansichten von magnetischen Kernen gemäss dem Stand
der Technik.
-
2a,
b zeigt einen magnetischen Kern gemäss einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt
einen magnetischen Kern gemäss
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
4a,
b zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der 2a und 2b und
-
5, 6a,
b zeigen weitere Ausführungsformen.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Gemäss einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird die Form des Kerns ausgewählt, um die Wärmedissipation
zu verbessern.
-
Gemäss einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wird die äussere
Oberfläche
des Kerns 10 mit rippen-ähnlichen Strukturen ausgestattet,
um die Wärmedissipation
zu verbessern. 2a und 2b repräsentieren
ein Beispiel eines E-Kerns 10, der mit einer Serie von
Heizrippen 40 auf der anderen Oberfläche ausgestattet ist. Die Heizrippen 40 sind
durch geeignetes Formen der Giess- oder Gussform, in welcher das
Metallpulver gepresst oder gegossen wird, integral zusammen mit
dem Kern 10 ausgeführt.
-
Das
magnetische Material in den Wärmerippen 40 kann
nur eine kleine oder keine Rolle, was den magnetischen Kreislauf
betrifft, spielen, obwohl die Rippen 40 wesentlich die
Wärmekonvektion
und Strahlung von dem Kern 10 zur Aussenseite verbessern.
Die Kerne der 2a werden oft in der Gegenwart
von Kernverlusten zu einer kompakteren und sparsameren Konstruktion
führen,
als die Kerne 10, die aus der 1 bekannt
sind.
-
Diese
Erfindung ist nicht auf Pulverkerne beschränkt, sondern die Rippen 40 können gleichfalls an
Ferritkerne oder laminierte Kerne oder an magnetische Elemente von
anderen Materialien angebracht werden, mit welchen strahlende Rippen
integral ausgeführt
werden können.
-
Gemäss einer
Variante dieser ersten Ausführungsform
der Erfindung, die in den 4a und 4b dargestellt
ist, sind die gleichen Wärmedissipationsrippen 40 auf
der Aussenseite eines in der Form eines Topfes geformten Kerns 10 realisiert.
Es ist klar, dass ähnliche
Varianten auch für
gewöhnliche Kernformen
möglich
sind, für
zum Beispiel C-Kerne, Ringe, Trommeln oder Rohrkerne und für alle Varianten
von Kombinationen davon.
-
Es
versteht sich auch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
Bereitstellung von parallelen Rippen, wie sie in den oben nicht
begrenzenden Beispiel beschrieben ist, begrenzt ist, sondern auch
andere geometrische Strukturen wie Rippen, Schlitze, Vorsprünge, Ecken,
Waben, Finger und allgemein irgendeine Form, die Hohlräume und
Vorsprünge
bereitstellen, um die erforderliche externe Oberfläche des
Kerns und der Wärmedissipation
davon zu erhöhen.
-
Gemäss einem
zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf 3,
umfasst der Kern gemäss
der Erfindung wärmeleitende
Einsätze 50,
die permanent an den Kern 10 abgebracht sind oder in dem
Kern eingeführt
sind, um die Wärme,
die in dem Kern 10 als eine Konsequenz der magnetischen
Verlusten darin entstehen, abzuleiten und zu dissipieren. Solche
wärmeleitenden
Einsätze 50 können zum
Beispiel aus vorgestanzten Metallblechen realisiert werden, die
in die Giess- oder Gussform eingefügt werden, bevor das magnetische
Pulver hinzugefügt
wird, und welche dann permanent in den Pulverkern eingefügt werden.
Der herausragende Teil eines Metalleinsatzes 50 wird als
strahlende Rippen wirken, welche also die Wärmedissipation von dem Kern 10 erhöhen.
-
Alternativ
können
die Metalleinsätze 50 in den
Kern 10 nach der Herstellung des Kerns 10 eingesetzt
und integriert werden, zum Beispiel durch Kleben, Pressen, Schrauben
oder auf irgendeine andere Montagetechnik.
-
Vorzugsweise
wird die Form der Bleche ausgewählt,
um eine grosse Kontaktfläche
mit dem Kernmaterial zu erreichen, und die Blechorientierung und Dicke
wird angepasst, um die induzierten Wirbelströme zu reduzieren. In diesem
Fall können
die Bleche aus einem hochthermischen Material, wie Aluminium oder
Kupfer, realisiert werden.
-
Andere
alternative Varianten dieser Ausführungsform sind ebenfalls möglich, in
welchen die wärmeleitenden
Einsätze 50 aus
Metallrohren oder aus Metalldrähten
oder einem metallischen Netz bestehen.
-
6a und 6b zeigen
alternative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, an welche einen Ringkern 10 umfassend
metallische Hülsen 90,
um den gewundenen Kern 10 an eine Wärmesenke 10 anzuschliessen.
Die metallischen Hülsen 90 sind
permanent in den Kern 10 eingefügt und stellen drei Ösen dar,
durch welche der Kern 10 konventionell an eine Wärmesenke
befestigt werden kann. Die intern generierte Wärme fliesst dabei durch thermische
Leitung von den Kern 10 durch die Hülsen 90 zu der Wärmesenke.
-
Diese
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung leitet selbst zu verschiedenen Varianten,
in welchen die zylindrischen Hülsen 90 durch
eine andere Befestigung und wärmeleitende
Einsätze,
wie zum Beispiel metallische Profile oder Befestigungstafeln, ersetzt
werden.
-
Gemäss einen
anderen Ausführungsbeispiel beschrieben
in Bezug mit 5, wird ein Topfkern 10,
auf welchem eine Windung 20 angebracht wird, permanent
in ein Wärmerohr 80 eingefügt. Das
Wärmerohr 80 ist
in thermischen Kontakt mit dem Kern 10, und umfasst einen
internen Kreislauf (nicht dargestellt), der mit einer volantilen
Flüssigkeit,
zum Beispiel Wasser in einer geschlossenen Niederdruckkammer, gefüllt ist.
Der Wärmekontakt
zwischen dem Wärmerohr 80 und
dem Kern 10 kann zum Beispiel durch Bereitstellung einer
Reihe von Rippen auf dem früheren
verbessert werden (nicht dargestellt).
-
Die
volantile Flüssigkeit
verdampft kontinuierlich in dem Teil des Wärmerohres 80, das
in Kontakt mit dem heissen Kern 10 ist und kondensiert
in dem äusseren
kalten Teil, der thermisch mit dem grossen Radiator 81 verbunden
ist. Von dem kalten Ende des Rohres 80 tropf die Flüssigkeit
zu dem Kern in einem kontinuierlichen Kreislauf zurück.
-
Mit
anderen Worten umfasst der Wärmeübertrag
entlang des Wärmerohrs 80 die
vier folgenden Verfahrenschritte, welche alle in einem kontinuierlichen
Zyklus stattfinden:
- 1. (Verdampfung) Die Flüssigkeit
verdampft in dem heissen Ende der Wärmeleitung 80 in dem Kern 10,
was dem Kern 10 eine latente Verdampfungswärme entzieht;
- 2. (Dampftransport) Der heisse Dampf füllt den Hohlraum in dem Wärmerohr 80 und
erreicht das kalte Ende, wobei die Wärme, die dem Kern in der Verdampfungsphase
entzogen wurde, transportiert;
- 3. (Kondensation) Der Dampf kondensiert auf dem kalten Ende
des Wärmerohrs 80,
das mit dem Radiator 81 verbunden ist. Die Wärme, dem den
Kern 10 entzogen wurde, wird zum Radiator 81 als
latente Kondensationswärme
geliefert;
- 4. (Flüssigkeitstransfer)
Das Kondensat kommt normalerweise durch die Schwerkraft zurück zu den
heissen Enden des Wärmerohrs 80 in
dem Kern 10, wo eine neue Verdampfung stattfindet.
-
Auf
diese Weise kann ein grosser Wärmetransport
von dem heissen Kern 10 zu den kalten Radiatoren 81 erreicht
werden.
-
Auch
in dem Fall dieses Ausführungsbeispiels
kann das Wärmerohr 80 während der
Herstellung permanent in den Kern 10 integriert werden
oder in einer weiteren Fabrikationsphase permanent an es montiert
werden.
-
In
einer alternativen, nicht dargestellten Variante dieser Ausführungsform,
könnte
der Radiator 81 durch eine Wärmesenke ersetzt werden. In
diesem Fall versorgt die Wärmerohr 80 eine
effiziente Leitung der Wärme
zu der Wärmequelle.
-
In
einer Varianten der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere
Leiter um die magnetischen Kerne, wie oben beschrieben, gewickelt,
und die resultierende Spule wird in einen Filterschaltkreis eingesetzt,
zum Beispiel ein Leistungsfilter für elektromagnetische Kompabilität oder eine
andere Art von Filter oder Rausch unterdrückenden Schaltkreis. Die Spule
so produziert, ist dank ihrer Grösse
und hohen Verlusttoleranz besonders für solche Filteranwendungen
geeignet, besonders für
EMC Filter an Hauptspannungen.
-
Gemäss der Notwendigkeit
kann die so gestaltete Spule deshalb mehrere Windungen enthalten,
zum Beispiel in dem Fall eines Filters für ein Multiphasenleistungssystem.
Die vorliegende Erfindung stellt auch längliche Spulen und spannungskompensierende
Spulen mit einer verbesserten Kühlkapazität dar.
-
- 10
- Kern
- 20
- Windungsspule
- 40
- Heizrippe,
Rippe
- 50
- Wärmeleitender
Einsatz
- 80
- Wärmerohr
- 81
- Radiator
- 90
- Metallische
Hülsen