DE69613794T2 - Gemischter Magnetkern - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Misch- Magnetkern, insbesondere für Spulen oder Transformatoren.
- Die so hergestellten Spulen können als Filterinduktivitäten oder in Leistungswandlern verwendet werden, die bei Frequenzen in der Nähe von oder über etwa 0,1 MHz arbeiten.
- Die Entwicklung elektronischer Systeme tendiert zu einer Miniaturisierung der Stromquellen. Der Übergang von Reglern mit linearer Struktur auf Zerhackerwandler bildete einen entscheidenden Schritt hinsichtlich der Verringerung des Platzbedarfs und der Verbesserung der Eigenschaften der Stromguellen. Die Zerhackerfrequenz wurde immer weiter erhöht, um die Miniaturisierung zu steigern. Die derzeit üblichen Wandler erreichen 1 MHz und mehr. Der Aufbau erfordert Spulen geringer Induktivität (einige MikroHenry), die geringe Gesamtverluste (ohm'sche und magnetische Verluste) bei hoher Induktion aufweisen sollen und Materialien niedriger Permeabilität (unter etwa 200) verwenden.
- Die derzeit auf dem Markt verfügbaren Magnetmaterialien geringer Permeabilität weisen bei hoher Induktion (oberhalb von etwa 10 mT) erhebliche Verluste auf, die dazu führen, daß die magnetischen Bauteile derzeit den meisten Platz in den Wandlern beanspruchen. Für die verfügbaren magnetischen Materialien bilden eine niedrige Permeabilität und geringe Verluste einander widersprechende Merkmale. Eine Spule mit einigen uH enthält nur einige Windungen oder einen Kern geringer Permeabilität.
- Ein geringe Anzahl von Windungen, an deren Klemmen eine hohe Potentialdifferenz anliegt, erzeugt eine hohe magnetische Induktion im Kern. Da die Verluste im Kern mindestens proportional zum Quadrat der Induktion sind, steigen sie sehr rasch, wenn die Anzahl von Windungen abnimmt. Um geringere Verluste zu erreichen, braucht man eine große Anzahl von Windungen, was einen Kern geringer Permeabilität erfordert.
- Es gibt Luftspulen mit unmagnetischem Kern. Ihre Permeabilität liegt beim Einheitswert und sie erzeugt keine Verluste im Kern. Der Platzbedarf ist wegen der Einheitspermeabilität des unmagnetischen Kerns erheblich. Die in der Wicklung entstehenden "Kupfer"-Verluste sind bedeutend. Die erzeugten elektromagnetischen Störfelder sind für das Umfeld störend und schwer zu beseitigen.
- Es gibt Spulen mit Magnetkernen aus polykristalliner Keramik, wie Ferrite vom Spinell-Typ, mit lokalisiertem Luft-Magnetspalt. Trotz der Verluste von etwa 1/100 oder 1/10 W/cm³ je nach der Induktion und der Frequenz weist dieser Ferrit noch Permeabilitäten in der Nähe von 1000 auf, was viel zu viel für die Anwendung auf Wandler ist. Ferrite mit geringer Permeabilität, wie Ferrite, die eine Permeabilität von 10 bieten, besitzen zu große Verluste für die Anwendung auf Wandler.
- Es gibt auch Spulen mit einem Komposit-Magnetkern und verteiltem Luftspalt. Diese Materialien bestehen aus ferromagnetischen Legierungen in Pulverform, die in ein dielektrisches Bindemittel dispergiert sind. Die Strahlungsverluste sind im Vergleich zu Kernen mit lokalisiertem Luftspalt verringert. Es gibt im wesentlichen zwei Arten von Pulvern, nämlich Pulver aus Eisen und Eisen-Carbonyl mit einer Permeabilität von etwa 5 und 250 und Pulver auf der Basis von Eisen-Nickellegierungen, deren Permeabilität etwa zwischen 14 und 550 liegt.
- Die Verluste in diesen Materialien sind 15 bis 20 mal größer als die der massiven Leistungsferrite unter den gleichen Bedingungen der Frequenz, der Induktion und der Temperatur.
- Die besten auf dem Markt befindlichen magnetischen Kompositmaterialien haben beispielsweise folgende Kennwerte für Ringkerne eines mittleren Durchmessers von 10 mm bei Umgebungstemperatur und für eine Induktion von 30 mT bei 1 MHz:
- - Eisen-Carbonyl: Verluste über 1,5 W/cm³
- - Eisen-Nickel: Verluste über 2 W/cm³
- In der Patentanmeldung DE-11 59 088 wird eine Spule beschrieben, deren Magnetspalt ein Sättigungselement auf der Basis eines in einem Harz agglomerierten Eisenpulvere besitzt. Das Eisenpulver kann die Form von Plättchen annehmen, die in eine Harzhülle eingeschlossen sind.
- Die vorliegende Erfindung schlägt einen Magnetkern vor, der bei hoher Induktion Verluste in der Größenordnung der Verluste der polykristallinen magnetischen Keramiken sowie eine um einen Faktor 100 verringerte Permeabilität bezüglich der dieser Materialien bietet, die im allgemeinen zwischen 700 und 3000 liegt.
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkern mit einem Körper aus einer polykristallinen magnetischen Keramik mit: mindestens einem lokalisierten Magnetspalt. Dieser lokalisierte Magnetspalt besteht aus einem magnetischen Kompositmaterial.
- Vorzugsweise ist die polykristalline magnetische Keramik des Körpers ein Ferrit vom Spinelltyp gemäß der Formei MxZnyFe2+αO&sub4;, wobei M ein Manganion oder Nickelion ist und die folgende Beziehung gilt: x+y+α = 1.
- Das magnetische Kompositmaterial kann ein Material auf dar Basis von ferromagnetischen Legierungen wie Eisen- Karbonyl- oder Eisen-Nickel-Pulvern, die in ein dielektrisches Bindemittel eingebettet sind, oder ein Material auf der Basis von polykristallinen magnetischen Keramikplättchen sein, die in ein dielektrisches Bindemittel eingebettet sind und mit ihren Hauptseiten im wesentlichen parallel zum Magnetfeld ausgerichtet sind.
- Die polykristalline magnetische Keramik der Plättchen ist vorzugsweise ein Ferrit vom Spinelltyp gemäß der Formel M'xZnyFe2+αO&sub4;, wobei M' ein Manganion oder Nickelion ist und die folgende Beziehung gilt: x'+y'+α' = 1.
- Das dielektrische Bindemittel kann ein Harz vom Epoxid-, Phenol- oder Polyimidtyp oder ein Harz auf Akrylbasis sein.
- Der lokalisierte Magnetspalt kann mit dem Körper durch Kleben verbunden werden oder unmittelbar durch Gießen eingefügt werden.
- Ein solcher Kern kann bei höheren Induktionen als die Materialien arbeiten, die für vergleichbare Verluste und eine vergleichbare Permeabilität zur Verfügung stehen.
- Ein solcher Kern hat ein geringeres Volumen als verfügbare Kerne bei gleichen Verlusten und gleicher Permeabilität.
- Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Spule und einen Transformator, die einen solchen Kern enthalten.
- Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand einiger Ausführungsbeispiele und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ringkern.
- Fig. 2 zeigt die Veränderung der offenbaren Permeabilität eines erfindungsgemäßen Misch-Ringkerns aus Ferrit/- Eisen-Carbonyl abhängig vom Verhältnis c Breite des Magnetspalts zur äquivalenten magnetischen Länge des Kerns.
- Fig. 3 zeigt die Gesamtverluste abhängig von der Induktion und der Temperatur eines erfindungsgemäßen Misch- Magnetkern aus Ferrit und Eisen-Carbonyl.
- Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Spule.
- Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Transformator.
- Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ringkern. Dieser Kern enthält einen Körper 1 aus polykristalliner magnetischer Keramik mit mindestens einem lokalisierten Magnetspalt 2. Der Magnetspalt besteht aus einem magnetischen Kompositmaterial.
- Durch die Einfügung eines lokalisierten Magnetspalts 2 in den vom Körper aus polykristalliner magnetischer Keramik gebildeten Magnetkreis ergibt sich eine Absenkung der Permeabilität des Körpers, ohne daß die Verluste nennenswert zunähmen. Das polykristalline magnetische Keramikmaterial ist ein Ferrit vom Spinelltyp gemäß der Formel MxZnyFe2+αO&sub4;, wobei 14 ein Manganion oder Nickelion ist und die folgende Beziehung gilt: x+y+α = 1.
- Der Körper 1 kann ein Leistungsferrit vom Typ PC50 der Firma TDK, vom Typ F4 der Firma LCC oder vom Typ 3F4 der Firma Philips sein. Seine Permeabilität beträgt bei 1 MHz etwa 1000.
- Der Magnetspalt 2 kann von einem Kompositmaterial auf der Basis von ferromagnetischen pulverförmigen Legierungen, wie beispielsweise Eisen-Carbonyl- oder Eisen-Nickel-Pulver gebildat werden, die in ein dielektrisches Bindemittel dispergiert sind. Für Eisen-Carbonylpulver sind die Körner vorzugsweise chemisch passiviert, um ihre Oxidation zu vermeiden.
- Das Bindemittel kann ein Harz vom Epoxid-, Phenol- oder Polyimidtyp oder ein Harz auf Akrylbasis sein.
- Der Magnetspalt kann von einem Kompositmaterial des Typs A08 der Firma Saphyr, vom Typ T26 der Firma Micrometal oder der Serie 55 000 oder 58 000 der Firma Magnetics gebildet werden. Die Permeabilität liegt bei 1 MHz im Bereich von 10.
- In Fig. 1 beträgt die Breite des Magnetspalts 2 etwa ein Viertel des Kernumfangs. In bekannten Kernen mit Luft- Magnetspalt war die Breite des Magnetspalts sehr gering im Vergleich zum Körper, damit Verluste durch eine Streustrahlung vermieden werden, die für die in der Nähe des Kerns liegenden Bauelemente störend wirkt. In einem erfindungsgemäßen Kern kanalisiert der Magnetspalt 2 aus Kompositmaterial den Fluß, sodaß die Verluste durch Streustrahlung praktisch beseitigt sind.
- Die offenbare Permeabilität ua eines Kerns, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, läßt sich in erster Näherung wie folgt beschreiben:
- Hierbei gilt: e = e/Lm
- e = Breite des Magnetspalts
- Lm = äquivalente magnetische Länge des Kerns
- u1 = Permeabilität des Ferritkörpers
- 1000 für ein MnZn-Ferrit
- u2 = Permeabilität des Magnetspalts aus magnetischem Kompositmaterial
- 10 für ein Eisen-Carbonyl-Kompositmaterial
- Die Permeabilität ua beträgt also etwa 34, was für eine Anwendung in Wandlern mit hohem Integrationsgrad vollkommen ausreicht.
- Fig. 2 zeigt die Veränderung der offenbaren Permeabilität eines erfindungsgemäßen Ringkerns aus Ferrit/Eisen- Carbonyl abhängig von ε.
- Die Permeabilität eines solchen Kerns wurde durch die Einfügung eines Magnetspalts erheblich verringert, dessen Breite 20% der äquivalenten Länge des Kerns beträgt.
- Messungen der Gesamtverluste eines Ringkerns aus Ferrit/Eisen-Carbonyl wie in Fig. 1 dargestellt, sind in Fig. 3 abhängig von der Induktion und der Temperatur aufgetragen. Man erkennt, daß die Verluste in einem weiten Temperaturbereich sehr gering sind. Sie sind mit den meisten Wandleranwendungen kompatibel. Die Gesamtverluste eines Ringkerns aus Ferrit und Eisen-Carbonyl gemäß der Erfindung belaufen sich bei 80ºC und 30 mT auf 0,22 W/cm³.
- Die unter den gleichen Bedingungen gemessenen Gesamtverluste für das massive Kompositmaterial Eisen-Carbonyl betragen 2,5 W/cm³. Der Gewinn beträgt mehr als 10. Die Tatsache, daß ein lokalisierter Magnetspalt 2 aus einem Kompasit-Magnetmaterial mit hohen Verlusten eingefügt wurde, hat die Verluste des Kerns im Vergleich zu denen des Körpers aus Ferrit vom Spinelltyp praktisch nicht vergrößert.
- Der Magnetspalt 2 kann auch aus einem magnetischen Kompositmaterial gebildet werden, wie es in der am 19. September 1995 unter der Nummer 9510952 von der Anmelderin eingereichten französischen Patentanmeldung beschrieben ist.
- Dieses magnetische Kompositmaterial enthält Plättchen aus pclykristalliner magnetischer Keramik, die in ein dielektrisches Bindemittel eingebettet sind. Die Plättchen sind so ausgerichtet, daß ihre Hauptseiten im wesentlichen parallel zum Magnetfeld verlaufen, dem der Kern ausgesetzt werden soll. Die polykristalline magnetische Keramik ist ein Ferrit vom Spinelltyp gemäß der Formel M'xZn2+αO&sub4;, wobei M' ein Manganion oder Nickelion ist und die folgende Beziehung gilt: x'+y'+α' = 1.
- Das Bindemittel ist ein Harz, beispielsweise vom Epoxid-, Phenol- oder Polyimidtyp oder ein Harz auf Akrylbasis.
- Die Plättchen werden in Schichten gestapelt und in das Bindemittel eingebettet. Man kann eines oder mehrere Plättchen je Schicht vorsehen. Von einer Schicht zur nächsten können die Plättchen übereinander oder auf Lücke angeordnet sein.
- Der Magnetspalt 2 kann mit dem Körper 1 beispielsweise durch Kleben verbunden werden. Er kann aber auch unmittelbar in den Körper eingegossen werden.
- Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Spule, die mit einem solchen Kern gebildet wird. Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer solchen Spule mit einem Ringkern, der einen Körper 30 aus Ferrit und vier gleichmäßig über den Körper 30 verteilt angeordnete lokalisierte Magnetspalte 31 besitzt. Diese Magnetspalte 31 werden von Plättchen 33 gebildet, die wie oben beschrieben in ein dielektrisches Bindemittel 34 eingebettet sind. Die Spule enthält auch eine Wicklung 32, die vorzugsweise auf dem Körper 30 sitzt, um die Wechselwirkung der Wicklung 32 mit den Magnetspalten 31 aus magnetischem Kompositmaterial zu minimieren, welche eine geringere Permeabilität als der Körper 30 besitzen. Die für die Wicklung 32 verwendeten Leiter sind vorzugsweise einbrennlackisolierte Mehrader-Drähte oder Litzendrähte, um die Kupferverluste bei höheren Frequenzen als etwa 50 kHz zu verringern. Die Spulen können als Filterinduktivitäten oder Induktivitäten von Resonanzwandlern dienen.
- Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule beginnt man mit der Materialwahl für den Körper des Kerns abhängig von der Frequenz, bei der die Spule arbeiten soll, und der offenbaren Permeabilität, die sie haben soll. Dann berechnet man aus der Permeabilität dieses Materials die Abmessungen des oder der Magnetspalte und ihren Gehalt an magnetischem Material, um die gewünschte offenbare Permeabilität zu erreichen.
- Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Transformator.
- Er enthält einen Kern 50 in E-Form mit rechtwinkligen Schenkeln, nämlich einem zentralen Schenkel 52 und zwei äußeren Schenkeln 5 : 1. Dieser Kern 50 enthält weiter einen Körper 53 aus Ferrit und in Höhe jedes Schenkels 51, 52 einen lokalisierten Magnetspalt 54 aus magnetischem Kompositmaterial.
- Zwei Spulen 55 und 56 um die äußeren Schenkel 51 herum bilden die Primär- und die Sekundärwicklung des Transformators. Diese Spulen umschlingen nicht die Magnetspalte 54.
- In den beschriebenen Beispielen hatten die Magnetspalte alle die gleiche Form. Selbstverständlich können sie auch unterschiedliche Formen, andere Zusammensetzungen und andere Anteile an magnetischem Material aufweisen.
Claims (13)
1. Magnetkern mit einem Körper (1) und mindestens
einem lokalisierten Magnetspalt (2) aus einem magnetischen
Kompositmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das
magnetische Kompositmaterial von Plättchen (33) aus einer
polykristallinen magnetischen Keramik gebildet wird, die in ein
dielektrisches Bindemittel (34) eingebettet sind und so
ausgerichtet sind, daß ihre Hauptseiten im wesentlichen
parallel zum Magnetfeld verlaufen, dem der Kern ausgesetzt
werden soll, und daß der Körper aus polykristalliner
magnetischer Keramik besteht.
2. Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die polykristalline magnetische Keramik des Körpers (1) ein
Ferrit vom Spinelltyp gemäß folgender Formel ist:
MxZnyFe2+αO&sub4;, wobei M ein Manganion oder Nickelion ist und
die folgende Beziehung gilt: x+y+α = 1.
3. Kern nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die polykristalline magnetische Keramik
der Plättchen ein Ferrit vom Spinelltyp gemäß folgender
Formel ist: M'xZnyFe2+αO&sub4;, wobei M' ein Manganion oder
Nickelion ist und die folgende Beziehung gilt: x'+y'+α' = 1.
4. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Plättchen (33) in Schichten
angeordnet sind.
5. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das dielektrische Bindemittel ein Harz
vom Epoxid-, Phenol oder Polyimidtyp oder ein Harz auf
Akrylbasis ist.
6. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der lokalisierte Magnetspalt (2) mit dem
Körper (1) verklebt ist.
7. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der lokalisierte Magnetspalt (2) mit dem
Körper (1) durch Gießen verbunden ist.
8. Spule, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kern
nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
9. Spule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
sie mindestens eine Wicklung (32) enthält, die im Bereich
des Körpers (30) des Kerns liegt.
10. Spule nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wicklung (32) aus mehradrigen
Leitern besteht.
11. Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß er
einen Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
12. Transformator nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß er mindestens eine Wicklung (55, 56) enthält,
die im Bereich des Körpers (50) des Kerns liegt.
13. Transformator nach einem der Ansprüche 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (55, 56) aus
mehradrigen Leitern gebildet wird.
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