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1. GEBIET
DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine elektrische
Drosselspule, die eine Spule und einen ferromagnetischen Metalllegierungskern
umfasst, wobei der Kern aus einer amorphen Metalllegierung besteht
und einen einzelnen Spalt aufweist, und einen nicht magnetischen
Abstandhalter umfasst, der in einer Öffnung angeordnet ist, die
durch den einzelnen Spalt definiert ist, wobei der einzelne Spalt
eine Spaltabmessung aufweist, die durch die Dicke des Abstandhalters
bestimmt ist. Die elektrische Drosselspule ist für Anwendungen wie die Leistungsfaktorkompensation
(PFC – Power
Factor Correction) nützlich,
wobei ein hoher Gleichstromanteil angelegt wird.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDS
DER TECHNIK
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Eine elektrische Drosselspule ist
ein Gleichstromenergie speichernder Induktor. Für einen ringförmig geformten
Induktor beträgt
die gespeicherte Energie W = 1/2[(B2AcIm)/(2μ0μr)]
, wobei B die magnetische Flussdichte ist, Ac die
wirksame magnetische Fläche
des Kerns, Im die mittlere magnetische Pfadlänge und μ0 die Permeabilität des freien
Raums und μr die relative Permeabilität im Material
ist.
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Durch Einführen eines kleinen Luftspalts
in die Ringspule bleibt der magnetische Fluss im Luftspalt gleich
wie im ferromagnetischen Kernmaterial. Da jedoch die Permeabilität der Luft
(μ ungefähr 1) deutlich
geringer ist als im typischen ferromagnetischen Material (μ ungefähr mehrere
tausend) wird die magnetische Feldstärke (H) im Spalt viel höher als
im Rest des Kerns (H = B/μ).
Die Energie, die pro Einheitsvolumen im magnetischen Feld gespeichert
wird, ist W = 1/2(BH), daher können
wir annehmen, dass sie in erster Linie im Luftspalt konzentriert
ist. Anders gesagt, wird die Energiespeicherkapazität des Kerns
durch den Einbau des Spalts verstärkt. Der Spalt kann ein einzelner
oder ein verteilter sein.
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Ein verteilter Spalt kann durch den
Einsatz ferromagnetischen Pulvers, das durch ein nicht magnetisches
Bindemittel zusammengehalten wird, oder durch teilweises Kristallisieren
einer amorphen Legierung eingebaut werden. Im zweiten Fall trennen
sich ferromagnetische kristalline Phasen und werden von einer nicht
magnetischen Matrix umgeben. Dieses teilweise Kristallisationsverfahren
erzielt man, indem eine amorphe Metalllegierung einer Wärmebehandlung
unterzogen wird. Insbesondere wird gemäß diesem Verfahren eine einzigartige
Korrelation zwischen dem Grad der Kristallisation und den Permeabilitätswerten
bereitgestellt. Um Permeabilität
im Bereich von 100 bis 400 zu erzielen, ist Kristallisation im Bereich
von 10 % bis 25% des Volumens erforderlich. Die geeignete Verbindung
von Glühzeit
und Temperaturbedingungen wird auf der Grundlage der Kristallisationstemperatur
und/oder der chemischen Zusammensetzung der amorphen Metalllegierung
ausgewählt.
Durch Erhöhen
des Grads der Kristallisation wird die Permeabilität des Kerns
verringert. Die Verringerung in der Permeabilität führt zur erhöhten Fähigkeit des Kerns, Gleichstromoffsetfelder
zu halten, und zu erhöhten
Kernverlusten.
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Ein einzelner Spalt wird durch Schneiden
des magnetischen Kerns und durch Einschieben eines nicht magnetischen
Abstandhalters eingebaut. Die Größe des Spalts
wird durch die Dicke des Abstandhalters bestimmt. Typischerweise
wird durch Steigern der Größe des einzelnen
Spalts die effektive Permeabilität
verringert und die Fähigkeit
des Kerns, Gleichstromoffsetfelder zu halten, gesteigert. Jedoch
sind für
Gleichstromoffseterregungsfelder von 8000 A/m (100 Oe) und höher, Spalten
im Bereich von 5–10
mm erforderlich. Diese großen
Spalten verringern die Permeabilität auf sehr niedrige Niveaus
(10–50)
und die Kernverluste steigen auf Grund verstärkten Streuflusses im Spalt
an.
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Die Patentschrift US-A-4,587,507
beschreibt einen Kern einer Drosselspule, der einen gewickelten Dünnstreifen
einer amorphen Legierung umfasst, wobei die Legierung eine Verbindung
der Formel FexMny (SipBqPrCs)z aufweist. Die
Dünnstreifen
werden gewickelt, um eine Spule auszubilden, zum Spannungsabbau wärmebehandelt
und dann verklebt. Die Legierung aus US-A-4,587,507 soll besonders
nützlich
sein, um einen Kern einer Drosselspule herzustellen, um Wellen in
einer Spannung, einen Schaltstromstoß oder andere unerwünschte Hochfrequenzströme auszuschalten.
Der Kern aus US-A-4,587,507
wird mit wenigstens einem geschnittenen Luftspalt bereitgestellt,
was wenigstens einen einzelnen Spalt bedeutet. Der wenigstens eine
geschnittene Luftspalt kann mit einem Abstandhalter gefüllt werden,
der zum Beispiel aus Polyethylenterephthalat hergestellt ist. Der
Kern aus , US-A-4,587,507
weist keinen verteilten Spalt auf, aber die beschriebenen Behandlungsbedingungen
würden
auch nicht zu einem verteilten Spalt führen.
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Die Patentschrift DE-OS-34 35 519
offenbart eine Drosselspule, die einen ringförmigen magnetischen Kern aus
einer amorphen magnetischen Legierung aufweist. Der Kern soll einen
Spalt aufweisen und ein Isoliermaterial ist in diesen Spalt eingebaut.
Das Kernmaterial weist eine hohe Permeabilität, eine hohe Sättigungsinduktion
und einen niedrigen Kernverlust von nicht mehr als 2000 mW/cm3 bei 3 kG/50 Hz auf. Ein Beispiel einer
amorphen magnetischen Legierung für den magnetischen Kern weist
die Verbindung (Fe0,95Cr0,05)81Si6B14 auf
. Das Legierungsmaterial wird bei 460°C eine Stunde lang wärmebehandelt.
Diese Wärmebehandlung
reicht nicht aus, um eine Kristallisation in der amorphen Legierung
zu erzielen, die zu einem verteilten Spalt führt.
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Für
Anwendungen zur Leistungsfaktorkompensation in energietechnischer
Ausrüstung
und in energietechnischen Vorrichtungen besteht Bedarf an einer
elektrischen Drosselspule kleiner Bauart, die niedrige Permeabilität (50–300), niedrige
Kernverluste, hohe Sättigungsmagnetisierung
aufweist und die hohe Gleichstromoffsetmagnetfelder halten kann.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Das der vorliegenden Erfindung zu
Grunde liegende Problem ist, eine elektrische Drosselspule bereitzustellen,
die niedrige Permeabilität,
niedrige Kernverluste, hohe Sättigungsmagnetisierung
aufweist und die hohe Gleichstromoffsetmagnetfelder halten kann.
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Das Problem wird durch eine elektrische
Drosselspule gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 gelöst,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kern zusätzlich einen
verteilten Spalt aufweist und die amorphe Metalllegierung des Kerns
teilweise kristallisiert ist und eine magnetische Permeabilität nach Glühen im Bereich
von 200 bis 1000 aufweist.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine elektrische Drosselspule bereit, die in Verbindung einen verteilten Spalt,
der durch Glühen
des Kerns der Spule hergestellt wird, und einen einzelnen Spalt
aufweist, der durch Schneiden des Kerns hergestellt wird. Es wurde
entdeckt, dass der Einsatz der Verbindung eines verteilten Spalts
und eines einzelnen Spalts zu einzigartigen Eigenschaftsverbindungen
führt,
die nicht leicht durch den Einsatz eines einzelnen Spalts oder eines
verteilten Spalts allein erzielbar sind. Überraschenderweise werden magnetische
Kerne erzielt, die eine Permeabilität im Bereich von 80 bis 120
aufweisen, wobei 95% oder 85% der Permeabilität in den 4000 A/m (50 Oe) beziehungsweise
8000 A/m (100 Oe) Gleichstromoffsetfeldern verbleiben. Die Kernverluste
verbleiben im Bereich von 100 bis 150 W/kg bei 80000 A/m (1000 Oe)
Erregung und 100 kHz.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der elektrischen Drosselspule der vorliegenden Erfindung bewegt
sich die Spaltgröße in der
Breite von 0,75 mm bis 12,75 mm und die Drosselspule weist eine
effektive Permeabilität
auf, die von 40 bis 200 reicht.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist die elektrische Drosselspule der vorliegenden Erfindung einen
Kernverlust im Bereich von 80 bis 200 W/kg bei einer Erregung bei
100 kHz und einem 80000 A/m Erregungsfeld, eine effektive Permeabilität im Bereich
von 40 bis 200 und eine resultierende effektive Permeabilität von 50%
bis 95% bei einem Gleichstromoffsetfeld von 8000 A/m auf.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der elektrischen Drosselspule der vorliegenden Erfindung ist die
amorphe Metalllegierung eine Legierung auf Fe-Basis. Insbesondere ist die amorphe
Metalllegierung eine Legierung auf Fe-Basis, die eine Permeabilität nach Glühen von
300 aufweist, beträgt
die Spaltabmessung 1,25 mm und weist die Drosselspule eine effektive
Permeabilität
von 100 auf.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der elektrischen Drosselspule der vorliegenden Erfindung hält der Kern
wenigstens 75% der effektiven Permeabilität unter einem Gleichstromoffsetfeld
von 8000 A/m zurück.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
weist die elektrische Drosselspule der vorliegenden Erfindung einen
Kernverlust im Bereich von 80 bis 100 W/kg bei einer Erregung bei
100 kHz und 80000 A/m Erregungsfeld auf.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der elektrischen Drosselspule der vorliegenden Erfindung ist der
nicht magnetische Abstandhalter aus Keramik oder Kunststoff zusammengesetzt
und wird direkt in einen Kunststoffbehälter, der den Kern enthält, gussgeformt.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der elektrischen Drosselspule der vorliegenden Erfindung ist der
Kern mit einem dünnen,
hochtemperaturbeständigen
Harz zur elektrischen Isolierung und zum körperlichen Erhalt des Kerns
beschichtet.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird die elektrische Drosselspule, wie oben beschrieben,
für Blindstromkompensationsanwendungen
eingesetzt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird umfassender verstanden
und weitere Vorteile werden offensichtlich, wenn Bezug auf die folgende
genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
und auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, wobei:
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1 ein
Graph ist, der den Prozentsatz der anfänglichen Permeabilität eines
geglühten
magnetischen Kerns auf Fe-Basis als eine Funktion des Gleichstromoffsetmagnetfelds
zeigt;
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2 ein
Graph ist, der als eine Funktion des Gleichstromoffseterregungsfelds
den Prozentsatz der anfänglichen
Permeabilität
eines auf Fe basierenden amorphen Metalllegierungskerns zeigt, wobei
der Kern geschnitten wurde und einen einzelnen Abstandhalter mit
einer Dicke von 4,5 mm darin eingefügt hatte;
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3 ein
Graph ist, der als eine Funktion des Gleichstromoffseterregungsfelds
den Prozentsatz der anfänglichen
Permeabilität
eines auf Fe basierenden Kerns zeigt, der einen einzelnen Spalt
von 1,25 mm und einen verteilten Spalt aufweist; und
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4 ein
Graph ist, der als eine Funktion der Einzelspaltgröße empirisch
abgeleitete Umrissabbilder der effektiven Permeabilität der zusammengefügten einzelnen
und verteilten Spalten zeigt, wobei die unterschiedlichen Konturen
Permeabilitätswerte
für die
verteilten Spalten darstellen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die wichtigen Parameter in der Leistung
einer elektrischen Drosselspule sind der Prozentsatz der anfänglichen
Permeabilität,
der zurückbleibt,
wenn der Kern durch ein Gleichstromfeld erregt wird, der Wert der anfänglichen
Permeabilität
ohne äußeres Offsetfeld
und die Kernverluste. Typischerweise werden durch Verringern der
Anfangspermeabilität
die Fähigkeit
des Kerns, ansteigende Gleichstromoffsetfelder zu halten, und die
Kernverluste erhöht.
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Eine Verringerung in der Permeabilität eines
amorphen Metallkerns kann durch Glühen oder durch Schneiden des
Kerns und Einführen
eines nicht magnetischen Abstandhalters erzielt werden. In beiden
Fällen wird
die erhöhte
Fähigkeit,
hohe Gleichstromoffsetfelder zu halten, mit hohen Kernverlusten
erkauft. Die vorliegende Erfindung stellt eine elektrische Drosselspule
bereit, die in Verbindung einen verteilten Spalt, der durch Glühen oder
durch den Einsatz ferromagnetischen Pulvers, das durch ein nicht
magnetisches Bindemittel zusammengehalten wird, hergestellt wird,
und einen einzelnen Spalt, der durch Schneiden des Kerns hergestellt
wird, aufweist. Der Einsatz in Verbindung des verteilten und des
einzelnen Spalts erhöht
die Fähigkeit des
Kerns, Gleichstromoffsetfelder ohne einen deutlichen Anstieg der
Kernverluste und einen starken Abfall der anfänglichen Permeabilität zu halten.
Diese einzigartigen Eigenschaften der Drossel sind nicht leicht
durch den Einsatz eines Einzel- oder eines verteilten Spalts allein
zu erzielen.
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In 1 werden
der Prozentsatz der anfänglichen
Permeabilität
eines geglühten
magnetischen Kerns auf Fe-Basis als eine Funktion des Gleichstromoffseterregungsfelds
gezeigt. Der Kern, der aus einer Fe-B-Si amorphen Metalllegierung
aufgebaut ist, wurde unter Einsatz einer geeigneten Verbindung von
Glühtemperatur
und -zeit geglüht.
Solch eine Glühtemperatur
und -zeit kann für
eine Fe-B-Si basierende amorphe Legierung ausgewählt werden, vorausgesetzt ihre
Kristallisationstemperatur und/oder chemische Zusammensetzung sind
bzw. ist bekannt. Für
den in 1 gezeigten Kern
war die Zusammensetzung der amorphen Metalllegierung Fe80B11Si9 und die Kristallisationstemperatur
betrug Tx = 507°C.
Diese Kristallisationstemperatur wurde durch Differentialscanning-Kalorimetrie
(DSC) gemessen. Die Glühtemperatur
und -zeit betrug 480°C beziehungsweise
1 Stunde und das Glühen
wurde in einer Inertgasatmosphäre
durchgeführt.
Die amorphe Legierung war auf 50% Niveau kristallisiert, wie durch
Röntgenstrahlenbeugung
bestimmt wurde. Auf Grund der teilweisen Kristallisation des Kerns
wurde seine Permeabilität
auf 47 verringert. Durch Wählen
der geeigneten Temperatur- und Zeitabstimmungen werden Permeabilitätswerte
im Bereich von 40 bis 300 und höher
leicht erzielt. Tabelle 1 fasst die Glühtemperatur- und Glühzeitkombinationen
und die sich ergebenden Permeabilitätswerte zusammen. Die Permeabilität wurde
mit einer Induktionsmessbrücke
bei einer 10 kHz Frequenz, 8-Windungshaspel und 100 mVac Erregung
gemessen.
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Legierung: Fe80B11Si9 ; Tx = 508°C.
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Wie durch 1 veranschaulicht, wurden 80% der anfänglichen
Permeabilität
bei 4000 A/m (50 Oe) beibehalten, während 30% der anfänglichen
Permeabilität
bei 8000 A/m (100 Oe) erhalten blieben. Der Kernverlust wurde mit
650 W/kg bei 80000 A/m (1000 Oe) Erregung und 100 kHz bestimmt.
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2 zeigt
als eine Funktion des Gleichstromoffseterregungsfelds den Prozentsatz
der anfänglichen Permeabilität eines
auf Fe basierenden amorphen Kerns, wobei der Kern mit einer schleifenden
Säge geschnitten
wurde und einen einzelnen Kunststoffabstandhalter mit einer Dicke
von 4,5 mm darin eingefügt
hatte. Die anfängliche
Permeabilität
des auf Fe-basierenden Kerns betrug 3000 und die effektive Permeabilität des mit
Spalt versehenen Kerns war 87. Der Kern behielt 90% der anfänglichen
Permeabilität
bei 8000 A/m (100 Oe). Jedoch betrugen die Kernverluste 250 W/kg
bei 80000 A/m (1000 Oe) Erregung und 100 kHz.
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3 zeigt
als eine Funktion des Gleichstromoffseterregungsfelds den Prozentsatz
der anfänglichen Permeabilität eines
auf Fe basierenden Kerns, der in Verbindung einen einzelnen Spalt
von 1,25 mm und einen verteilten Spalt aufweist. Die Fe-basierende
amorphe Legierung kann unter Einsatz einer geeigneten Glühtemperatur
und -zeit teilweise kristallisiert werden, vorausgesetzt ihre Kristallisationstemperatur
und/oder chemische Zusammensetzung sind bekannt. Das Beispiel, das
in 3 gezeigt wird, hatte
eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus Fe80B11Si9 bestand und
eine Kristallisationstemperatur Tx = 507°C aufwies. Die Glühtemperatur
und -zeit betrugen 430°C
beziehungsweise 6,5 Stunden und das Glühen wurde in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Diese
Glühbehandlung
verringerte die Permeabilität
auf 300. Anschließend
wurde der Kern mit einer Epoxy- und Azeton-Lösung
imprägniert,
mit einer Schleifsäge
geschnitten, um einen einzelnen Spalt herzustellen, und mit einem
Abstandhalter aus Kunststoff von 1,25 mm versehen, der in den Spalt eingeschoben
wurde. Die Imprägnierung
des Kerns ist erforderlich, um die mechanische Stabilität und den
körperlichen
Erhalt desselben während
und nach dem Schneiden zu erhalten. Die letztlich effektive Permeabilität des Kerns
wurde auf 100 verringert. Wenigstens 70% der anfänglichen Permeabilität wurden
unter 8000 A/m (100 Oe) Gleichstromoffsetfelderregung beibehalten.
Der Kernverlust betrug 100 W/kg bei 80000 A/m (1000 Oe) Erregung
und 100 kHz.
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1, 2 und 3 zeigen, dass, um das Gleichstromoffsetverhalten
eines auf Fe-basierenden amorphen Kerns zu verbessern, während gleichzeitig
die anfängliche
Permeabilität
hoch gehalten wird und die Kernverluste niedrig gehalten werden,
eine Verbindung von einem einzelnen und verteilten Spalten bevorzugt
wird.
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Die herkömmliche Formel zum Berechnen
der effektiven Permeabilität
einer mit Spalt versehenen Drossel ist für einen Kern, der eine Verbindung
aus einem einzelnen und einem verteilten Spalt aufweist, nicht anwendbar. 4 zeigt als eine Funktion
der Einzelspaltgröße empirisch
abgeleitete Umrissabbilder der effektiven Permeabilität für einen
Kern, der zusammengefügt
einzelne und verteilte Spalten aufweist. Die unterschiedlichen Konturen
stellen die verschiedenen Werte der verteilten Spaltenpermeabilität (nach
Glühen)
dar. Tabelle 2 zeigt verschiedene Verbindungen von geglühter Permeabilität und verteilten
Spaltgrößen. Die
entsprechende effektive Permeabilität, der Prozentsatz der Permeabilität bei 8000
A/m (100 Oe) und die Kernverluste sowie das Schneidverfahren und
die Art des Abstandhaltermaterials sind aufgelistet.
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Der Kernverlust wurde bei 80000 A/m
(1000 Oe) Erregungsfeld und 100 kHz gemessen, Ausnahmen sind
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Zwei unterschiedliche Arten von Abstandhaltermaterial,
Kunststoff und Keramik, wurden bewertet. In den sich ergebenden
Eigenschaften konnte kein Unterschied beobachtet werden. Typischerweise
wird der Kern in einem Kunststoffbehälter angeordnet. Da ein Kunststoffabstandhalter
für den
Spalt eingesetzt werden kann, kann der Abstandhalter direkt in dem
Kunststoffbehälter
ausgeformt werden.
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Mehrere Verfahren zum Schneiden der
Kerne wurden bewertet, wobei eine schleifende Säge, elektrochemisches Drahtabtragen
(Drahterodieren) und Wasserstrahlschneiden mitumfasst waren. All
diese Verfahren waren erfolgreich. Jedoch traten Unterschiede in
der Qualität
der Schnittoberflächenbearbeitung
auf, wobei das Drahterodieren am besten abschnitt und das Wasserstrahlschneiden
am schlechtesten. Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 wurde geschlossen,
dass das Drahterodierverfahren Kerne herstellt, welche die geringsten
Verluste zeigten, und das Wasserstrahlschneidverfahren jene mit
den höchsten,
wenn alle anderen Bedingungen gleich sind. Das Schleifverfahren
brachte Kerne mit zufrieden stellender Oberflächenbearbeitung und ebensolchen
Kernverlusten. Aus den obigen Ergebnissen wurde geschlossen, dass
die Bearbeitung der Schnittoberfläche des Kerns zum Erzielen
niedriger Kernverluste wichtig ist.
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Nachdem nun die Erfindung mit ziemlicher
Detailfülle
beschrieben worden ist, versteht es sich von selbst, dass solchen
Details nicht strikt gefolgt werden muss, sondern dass weitere Veränderungen
und Modifikationen sich von selbst für einen Fachmann auf diesem
Gebiet der Technik ergeben können,
die alle in den Umfang der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert,
fallen.