DE69011106T2 - Spulenelement. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Spulenelement zum Einsatz bei einem Rücklauftransformator, einem Schaltnetztransformator, einer Drosselspule oder dergleichen. Und insbesondere bezieht sie sich auf ein Spulenelement, bei welchem ein Magnetkern mit Luftspalt eingesetzt wird, welches von der Schrift DE-C-31 23 006 ausgeht
Stand der Technik
• Bei allen bisher bekannten herkömmlichen Transformatoren, Drosselspulen usw. ist es üblich, in einem geschlossenen Magnetweg einen Spalt auszubilden, damit dessen Magnetkern nicht gesättigt wird, wenn ein gewünschter Stromfluß herbeigeführt wird. Wird beispielsweise ein Ferritmagnetkern, der üblicherweise eine magnetische Permeabilität u von etwa 5000 aufweist, bei einem Trannsformator eingesetzt, so wird ein Luftspalt (der nachstehend einfach als Spalt bezeichnet wird) darin ausgebildet, um so die effektive Permeabilität u auf einem Wert im Bereich zwischen 50 und 300 zu senken.
• Dies bedeutet, daß ein Spalt mit hohem magnetischen Widerstand (Reluktanz) in einem Ferritmagnetkern vorhanden sein muß, dessen magnetischer Widerstand ursprünglich gering ist, wodurch im peripheren Bereich des Spalts ein starker Streufluß erzeugt wird.
• Es ist allgemein bekannt, daß ein solcher Streufluß zumindest die beiden folgenden nachteiligen Einflüsse ausübt.
• (1) In der peripheren Anordnung (Elemente), auf die sich die magnetische Induktion leicht auswirkt, wird ein Rauschen erzeugt.
• (2) Wenn die Spule so gewickelt ist, daß sie den Spalt umgibt, kommt es infolge des Streuflusses zu einer anormalen Wärmeentwicklung in der Spule um den Luftspalt herum.
• Zur Lösung der vorstehend genannten Probleme wurden eine Vielzahl verschiedener Verbesserungen entwickelt.
• Bei einem Ansatz zur Lösung des Problems (1) wird ein Verfahrensbeispiel vorgeschlagen, bei welchem ein Spalt nur in der Spule allein ausgebildet wird. Eine solche Verfahrensweise zieht jedoch einen anderen Nachteil mit sich, der das Problem (2) dagegen noch verschlimmert.
• Im Zusammenhang mit Problem (2) sind in der Technik bereits Beispiele bekannt, wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 55 (1980)-77115 und in dem offengelegten japanischen Gebrauchsmuster Nr. 57 (1982)-130402 beschrieben sind, bei welchem ein in einer Spule angeordneter Spalt magnetisch in eine Vielzahl von Folgeabschnitten unterteiit wird, um so die Konzentration des Streuflusses zu verteilen. Unter den zur Lösung der Probleme (1) und (2) entwickelten älteren Vorkehrungen sind Beispiele bekannt, wie sie in den veröffentlichten japanischen Gebrauchsmustern Nr. 53 (1978)-63850 und 60 (1985)-7448 beschrieben werden, wobei eine Spaltfüllung, deren relative Permeabilität größer ist als bei Luft (also größer als 1), zur Verminderung des magnetischen Widerstands im Spaltbereich eingesetzt wird, um so den Streufluß zu verringern.
• Wird eine derartige Spaltfüllung aus einem Material, das eine größere relative Permeabilität als Luft (also größer als 1) aufweist, im Inneren einer Spule angeordnet, besteht die Möglichkeit, daß sich die Probleme (1) und (2) in gewisser Weise lösen lassen.
• In der Schrift DE-C-31 23 006 wird ein Transformator beschrieben, bei dem ein Luftspalt mit veränderlichem Querschnitt auf der Sekundärseite des Transformators eingesetzt wird, um den Strom im Trannsformator zu verringern. Die Dicke dieses Luftspalts ist viel größer als die Dicke des starren Luftspalts. Ein solcher Transformator wird besonders bei einer Schaltung zur Erzeugung der Spannung zur Zeilenablenkung in einem Fernsehgerät verwendet. In dem deutschen Patent DE 31 23 006 wird jedoch nicht eine Minimierung der störenden Rauscheinflüsse auf die periphere Anordnung bzw. die peripheren Elemente beschrieben, und es wird auch nicht ein Streufluß, der in der Peripherie eines Spalts erzeugt wird, zur Verhinderung einer Wärmeentwicklung in der Spule um den Spalt herum verringert.
• Auch wenn ein in dieser Weise verbesserter Aufbau herangezogen wird, bleibt jedoch noch ein weiteres Problem ungelöst, nämlich daß sich der Streufluß auf der Grenze zwischen dem Spalt und dem Magnetkern konzentriert, und darüberhinaus tritt auch noch ein neues Problem auf, und zwar hinsichtlich der Schwierigkeit, ein akzeptables Material zu erhalten, das eine entsprechende Permeabilität aufweist, um als Spaltfüllung zu dienen, und das dennoch eine hohe Sättigungsflußdichte und eine geringe Eisenverlustcharakteristik hat, die der bei einem Magnetkern äquivalent ist. Infolgedessen sind einige Nachteile unvermeidlich, unter anderem daß die auf der Grenze zwischen Spalt und Magnetkern gewickeite Spule anormal stark erwärmt wird, und daß auch infolge des Eisenverlusts des Spaltfüllmaterials der Spaltbereich übermaßig stark erwärmt wird, während darüberhinaus die B-H-Kurve des Magnetkerns mit darin eingebrachter Spaltfüllung nichtlinear wird, was schließlich eine Verzerrung der Wellenform verursacht, wenn das Spulenelement bei einem Transformator eingesetzt wird. Damit stehen beim augenblicklichen Stand der Technik völlig wirksame Verbesserungen nicht zur Verfügung.
Aufgabe und Kurzbeschreibung der Erfindung
• Somit liegt der Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Probleme zu lösen und ein verbessertes Spulenelement zu schaffen, mit dem der störende Rauscheinfluß auf die periphere Anordnung (Elemente) minimiert und jeder in der Peripherie eines Spalts erzeugte Streufluß verringert werden kann, um so eine anormale Wärmeentwicklung in der um den Spalt gewickelten Spule zu verhindern.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Spulenelement zu schaffen, das sich mit geringeren Kosten herstellen läßt und das eine bessere Zuverlässigkeit bietet.
• Zur Realisierung der vorgenannten Ziele wurden bei einem Spulenelement einige Veränderungen vorgenommen, welches zwei Magnetkerne von jeweils U-förmigem Querschnitt aufweist, die darin einen geschlossenen Magnetweg bilden, wobei ihre Schenkel einander ausgebildet ist, und welches zum Überdecken des Spalts eine gewickelte Spule aufweist. Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht auf einem Aufbau, bei welchem die sich gegenüberstehenden Abschnitte der Magnetkerne in dem Spaltbildungsbereich so geformt sind, daß die Querschnittfläche des vorderen Endes kleiner wird als die Querschittsfläche des Sockelendes.
• Bezüglich der Magnetkernabschnitte im Spaltbildungsbereich wird außerdem der prozentuale Anteil zwischen der Querschnittfläche des vorderen Endes und der des Sockelendes so definiert, daß er im Bereich zwischen 1 und 90 Prozent liegt.
• Weitere Merkmale liegen darin, daß das vordere Ende in einer Weise geformt ist, daß seine Kurven durch logarithmische Funktionen definiert werden, während auf dem vorderen Ende ein flächenförmiges Element vorgesehen ist bzw. auf der Vorderseite des vorderen Endes Vorsprünge ausgebildet sind.
• Infolge des hier genannten Aufbaus kommt es zwischen dem Spalt und den Endflächen des Kerns zu keiner Konzentration eines Streuflusses, und da keine Spaltfüllung verwendet wird, wird auch keinerlei Eisenverlust herbeigeführt, und infolgedessen werden die vorstehend genannten Ziele erreicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 zeigt schematisch ein exemplarisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spulenelements;
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Form eines Spaltbereichs in einem bei einem herkömmlichen Spulenelement verwendeten Magnetkern;
• Fig. 3 bis 7 sind jeweils schematische Darstellungen der Formen von Spaltbereichen bei anderen als erfindungsgemäßen Magnetkernen;
• Fig. 8 ist die graphische Darstellung einer B-H-Kurve bei einem herkömmlichen Spulenelement, bei dem ein Magnetkern mit Spalt gemäß Fig. 2 verwendet wird;
• Fig. 9 bis 13 zeigen jeweils eine graphische Darstellung der B-H-Kurve bei Spulenelementen, bei denen Magnetkerne mit den in Fig. 3 bis 7 dargestellten Spalten verwendet werden;
• Fig. 14 zeigt, wie in einigen Bereichen des Spulenelements bei anderen als erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieien die Temperatur erfaßt wird, und
• Fig. 15 bis 22 sind jeweils eine schematische Darstellung von modifizierten Ausführungen des Spalts bei den Magnetkernen, die bei anderen als den erfindungsgemäßen Spulenelementen verwendet werden könnten.
• Fig. 23 bis 25 zeigen jeweils schematisch modifzierte Ausführungen des Spalts bei den Magnetkernen, wie sie bei den erfindungsgemäßen Spulenelementen Verwendung finden;
• Fig. 26 und 27 zeigen jeweils weitere modifizierte Formen des bei dem erfindungsgemäßen Spulenelement verwendeten Magnetkerns in perspektivischer Ansicht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
• Ein Spulenelement 1 gemäß Fig. 1 weist zwei im Querschnitt U- förmige Magnetkerne 2, 3 auf, deren vordere Enden aneinanderliegen, wobei zwischen den gegenüberstehenden Flächen der Schenkel 2a, 3a auf jeweils einer Seite und einer darauf gewickelten Spule 4 ein Spalt ausgebildet ist.
• Einige Beispiele für derartige Magnetkerne mit U-förmigem Querschnitt sind in Fig. 26 und 27 dargestellt Bei dem Beispiel aus Fig. 26 ist ein rechteckiger Kern U-förmig gebogen, während sein Schenkel auf einer Seite so geformt ist, daß er säulenförmig ist. Bei dem nächsten Beispiel aus Fig. 27 handelt es sich um einen Magnetkern 33 mit vier Schenkeln, wovon einer ein säulenförmiger Schenkel 33a ist. Bei dem vorliegenden Spulenelement wird ein Paar derartiger Kerne jeweils miteinander kombiniert, während auf den säulenförmigen Schenkel eine Spule gewickelt wird, auch wenn in jeder der vorgenannten Darstellungen nur ein einziger Kern gezeigt ist. Und dieser Kern besteht aus Ferritmaterial.
• Anhand der beiliegenden Zeichnung werden nun die Charakteristik und der Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Beispiel beschrieben.
• Fig. 2 zeigt die Form von Spaltbereichen bei Magnetkernen, wie sie bei einem herkömmlichen Spulenelement vorgesehen sind, wobei die Form der sich gegenüberstehenden Enden 2b und 3b der Magnetkerne und die Spaltbreite derselben so festgelegt sind, daß die effektive Permeabilität des Magnetkerns insgesamt vergleichmäßigt wird. Die gegenüberliegenden Enden 2b&sub1; und 3b&sub1; der Magnetkerne sind bei einem herkömmlichen Spulenelement gemäß Fig. 2 in der Weise säulenförmig ausgebildet, daß ihre Querschnittsflächen unverändert bleiben. Dabei beträgt die Spaltbreite 3 mm.
• Bei den beispeilhaft herangezogenen Magnetkernen, die nicht der Erfindung entsprechen und die in Fig. 3, 4 und 5 dargestellt sind, werden die gegenüberliegenden Enden 2b&sub2; und 3b&sub2; so geformt, daß ihre Querschnittflächen zu den gegenüberliegenden Flächen 2c, 3c hin durch die verjüngten Abschnitte 2d, 3d hin verkleinert, während der Spalt 5 mit einer Breite von 2,5 mm gemaß Fig. 3, von 2,0 mm gemäß Fig. 4 bzw. von 1,8 mm gemäß Fig. 5 ausgebildet ist, so daß die effektive Permeabilität u gleichmäßig wird. Bei anderen Beispielen sind die sich gegenüberstehenden Enden 2b&sub3;, 3b&sub3; gemäß Fig. 6 so geformt, daß ihre Querschnittsflächen durch abgesetzte Vorsprünge 2e, 3e verkleinert werden, während gemäß Fig. 7 die gegenüberliegenden Enden 2b4, 3b4 so ausgebildet sind, daß ihre Querschittsflächen verkleinert werden, während ein Kernelement 5a, das vom Material her identisch mit den Magnetkernen 2st, dazwischen eingesetzt und in einer (nicht dargestellten) Spaltfüllung gehalten wird, die sich auf die magnetische Permeabilität u nicht nachteilig auswirkt
• Fig. 8 ist die graphische Darstellung einer B-H-Kurve, wie man sie bei einem herkömmlichen Spulenelement erhält, bei dem Magnetkerne mit der in Fig. 2 dargestellten Form verwendet werden, während in Fig. 9 bis 13 jeweils die B-H-Kurve bei Spulenelementen graphisch dargestellt ist, bei denen ein Magnetkern mit der in Fig. 3 bis 7 jeweils dargestellten Form verwendet wird. Beim Vergleich dieser Kurven zeigt sich, daß die Magnetflußdichte bei Sättigung Bm bei dem herkömmlichen Spulenelement mit gegenüberliegenden Enden der bekannten Form gemäß Fig. 8 5510 Gs beträgt, während sie bei den anderen Spulenelementen als den erfindungsgemäßen, bei denen Magnetkerne die jeweils in Fig. 9, 10, 11, 12 und 13 dargestellten Form aufweisen, die Magnetflußdichte bei Sättigung 5480, 5400, 5200, 5330 bzw. 5400 Gs beträgt. Es hat sich außerdem gezeigt, daß ihre Linearität etwas geringer ist als die gemäß Fig. 8.
• In der nachstehenden Tabelle 1 sind Versuchsergebnisse aufgeführt, die man mit Hilfe einer Versuchsvorrichtung 6 gemäß Fig. 14 erhalt, wobei die jeweilige Temperatur in den Spulenmittelpunkten X, an den Spulenenden Y, in den Kernen Z und in den peripheren Bereichen W der Spulenelemente 1 erfaßt werden, deren gegenüberstehende Enden jeweils die vorgenannte Form aufweisen (unter den Versuchsbedingungen, d.h. u.a. bei einer Frequenz von 100 kHz, einer Stromstarke von 0,8 A, einer Sinuswelle und bei einer Umgebungstemperatur von 40 ºC). (In dieser Tabelle entsprechen die Formen (a) bis (f) jeweils den Formen der in Fig. 2 bis 7 dargestellten Magnetkerne). TABELLE 1 Form Spulenmitte Spulenende Kern
• Im Vergleich zu der bekannten Form nach Fig. 2 wurden die Formen bei den nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeisplelen gemäß Fig. 3 bis 7 so verbessert, daß, wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, die Temperatur in der Spulenmitte X um 5 bis 20 ºC nledriger liegt, in den Spulenenden Y um 3 bis 12 ºC, im Kern Z um 1.5 bis 10 ºC, und in dem peripheren Bereich W um 2,5 bis 5,5 ºC niedriger. Bei der Form gemäß Fig. 7 wird die Magnetflußdichte bei Sättigung auf einem relativ hohen Wert gehalten, während die Temperatur in den einzelnen Abschnitten infolge des eingesetzten Kernteils 5a, das aus dem gleichen Material wie der Magnetkern besteht, niedriger liegt.
• Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl verschiedener Modifizierungen vorgesehen werden. Beispielsweise kann in den Luftspalt eine Spaltfüllung aus geeignetem Material eingebracht werden, die keinerlei nachteiligen Einfluß auf die magnetische Permeabilität um hat, und andererseits kann der Spalt auch zwischen irgendwelchen anderen als den in der Mitte liegenden Schenkeln ausgebildet werden. Was die Form der sich gegenüberstehenden Enden betrifft so lassen sich sowohl bei modifizierten Ausführungsbeispielen als auch bei den beispielhaft genannten Formen der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele ähnliche Auswirkungen erzielen, allerdings unter der Voraussetzung, daß die Querschnittfläche nicht zu den sich gegenüberstehenden Enden hin verkleinert wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich auch zum Einsatz bei jedem Element, das einen drei oder auch mehr geschlossene Magnetwege aufweist Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung auch bei jedem anderen Spulenelement als den vorgenannten Ausführungsbeispielen realisiert werden kann.
• Bei jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich äquivalente Wirkungen herbeiführen, sofern im Zusammenhang mit den sich jeweiis gegenüberstehenden Kernabschnitten in dem Spaltbildungsbereich der Prozentanteil der Querschnittsfläche am vorderen Ende, bezogen auf die Querschnittsfläche am Sockelende, in einem Bereich zwischen 1 und 90 Prozent liegt.
• Daneben kann die jeweilige Charakteristik noch weiter verbessert werden, sofern die Vorderenden der Magnetkerne 10a, 10b entsprechend der Festlegung nach logarithmischer Funktion gemäß Fig. 23 gekrümmt sind, wenn man in dem Spulenelement solche Magnetkerne verwendet. Dabei lassen sich die Kurven für die Form des Vorderendes durch die folgenden logarithmischen Funktionen ausdrücken:
• Wenn die Vorderenden der Magnetkerne 11a, 11b mit flächigen Elementen 12, 12 versehen werden, wie Fig. 24 dies zeigt, so wird damit ein bemerkenswerter Vorteil erzielt, da die Flächen der vorderen Stirnseiten unverändert bleiben, wenn der dazwischenliegende Spalt dadurch eingestellt wird, daß die ebenen Flächen dieser Teile parallel zueinander teilweise geschliffen werden.
• Bei einem anderen Beispiel, bei dem auf den Flächen am vorderen Ende der Magnetkerne 12a, 12b Vorsprünge 14, 14 ausgebildet werden, wie Fig. 25 dies zeigt, läßt sich insofern ein Vorteil erzielen, als die Flußdichte im Spalt gleichmäßig wird und der Streufluß, der mit der Spule in Verbindung steht, verringert wird.

Claims (8)

1. Spulenelement, welches folgendes aufweist:

zwei Magnetkerne mit jeweils U-förmigem Querschnitt und mit einem ersten und zweiten Schenkel, wobei der erste Schenkel länger als der zweite ist und wobei die beiden Magnetkerne so angeordnet sind, daß sie zwischen sich einen Magnetweg bilden, während der erste und zweite Schenkel eines der beiden Magnetkerne jeweils dem ersten bzw. zweiten Schenkel des jeweils anderen der beiden Magnetkerne gegenüberstehen, und wobei die sich gegenüberstehenden zweiten Schenkel einen Spalt im Magnetweg bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zweiten Schenkel, die so geformt sind, daß jedes ihrer Vorderenden von einem Sockelende zu einer Mitte des Vorderendes hin konisch zuläuft und sich dabei gemäß einer logarithmischen Kurve verjüngt, die durch folgende Gleichung darstelbar ist:

rs - r = Xgloge (Xs / X)

wobei Xg den Abstand von einem Mittelpunkt des Spalts bis zu einer Oberfläche des Vorderendes eines der zweiten Schenkel angibt, Xs für einen Abstand von der Mitte des Spalts bis zum Sockelende des einen zweiten Schenkels steht, X einen Abstand von einem Koordinatenursprung einer X-Achse entlang einer Mittellängslinie der zweiten Schenkel bezeichnet, wobei der Ursprung die Mitte des Spalts ist, rs einen Radius des Sockelendes des einen zweiten Schenkels angibt, und r einem Radius des einen zweiten Schenkels relativ zu X entlang der X-Achse entspricht; und

daß eine Spule so gewickelt ist, daß sie den Spalt überdeckt, wobei sich jeweils gegenüberliegende Abschnitte der den Spalt bildenden und sich gegenüberstehenden zweiten Schenkel der Magnetkerne von der Spule vollständig umschlossen sind.

2. Spulenelement nach Anspruch 1, bei welchem die sich gegenüberstehenden Abschnitte der den Spalt bildenden zweiten Schenkel so geformt sind, daß ein prozentualer Anteil der Querschnittsfläche des Vorderendes zu der des Sockelendes in einem Bereich zwischen 1 und 90 Prozent liegt.

3. Spulenelement nach Anspruch 2, bei welchem auf dem Vorderende ein Teil mit ebener Fläche vorgesehen ist.

4. Spulenelement nach Anspruch 1, bei welchem auf der Fläche des Vorderendes Vorsprünge ausgebildet sind.

5. Spulenelement mit einem ersten und einem zweiten Magnetkern, wobei an den Kernen jeweils ein erster Schenkel länger als ein z weiter Schenkel ausgebildet ist, und wobei die ersten Schenkel der ersten und zweiten Kerne jeweils gegenüber einander positioniert sind und die zweiten Schenkel jeweils gegenüberliegend so angeordnet sind, daß zwischen sich gegenüberliegenden Flächen der zweiten Schenkel ein Spalt gebildet wird, während eine Spule so aufgewickelt ist, daß sie den Spalt vollständig umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der den Spalt bildenden und sich gegenüberliegenden zweiten Schenkel so geformt ist, daß ein Vorderende jedes der zweiten Schenkel von einem Sockelende zu einer Mitte des Vorderendes hin sich konisch gemäß einer logarithmischen Kurve verjüngt, die durch folgende Gleichung darstellbar ist:

rs - r = Xgloge (Xs / X)

wobei Xg den Abstand von einem Mittelpunkt des Spalts bis zu einer Oberfläche des Vorderendes eines der zweiten Schenkel angibt, Xs für einen Abstand von der Mitte des Spalts bis zum Sockelende des einen zweiten Schenkels steht, X einen Abstand von einem Koordinatenursprung einer X-Achse entlang einer Mittellängslinie der zweiten Schenkel bezeichnet, wobei der Ursprung die Mitte des Spalts ist, rs einen Radius des Sockelendes des einen zweiten Schenkels angibt, und r einem Radius des einen zweiten Schenkels relativ zu X entlang der X-Achse entspricht.

6. Spulenelement nach Anspruch 5, bei welchem die zweiten Schenkel so geformt sind, daß ein Verhältnis der Querschnittfläche des Vorderendes zu der des Sockelendes in einem Bereich zwischen 1 und 90 Prozent liegt.

7. Spulenelement nach Anspruch 5, bei welchem auf dem Vorderende ein Teil mit ebener Fläche vorgesehen ist.

8. Spulenelement nach Anspruch 5, bei welchem auf der Fläche des Vorderendes Vorsprünge ausgebildet sind.