DE69917088T2

DE69917088T2 - Ferrit,und Tranformator und ihr Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE69917088T2
Application number: DE69917088T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Saita; Tomofumi Kuroda; Shigeo Okamoto; Naoyoshi Sato
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: EP0931779B1; JPH11214213A; CN1913059A; DE69920778D1; HK1021067A1; CN1627455A; CN1224224A; US6077453A; EP0931779A1; DE69920778T2; EP1293994B1; CN1326166C; EP1293994A3; EP1293994A2; DE69917088D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator mit einem Mn-Zn-Ferritkern, der in Netzgeräten für Schaltkonverter und Anzeigemonitore verwendet wird, sowie ferner ein Verfahren zur Ansteuerung des Transformators.
Die Erfindung betrifft ferner einen Transformator mit einem Mn-Zn-Ferritkern, in dem der Kernverlust niedrig ist und die Sättigungsmagnetflussdichte bei seiner Ansteuerungstemperatur, die etwa zwischen 50 und 70°C liegt, hoch ist, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des Transformators.
Mn-Zn-Ferrite werden vielfach als Materialien für Transformatoren für verschiedene Kommunikationsgeräte, Haushaltsgeräte und Industriegeräte etc. verwendet. Die Temperatur, bei der Transformatoren in herkömmlichen Schaltnetzteilen verwendet werden, fällt zwischen 60 und 100°C, und die Schaltfrequenz für die Netzteile fällt zwischen 10 und 100 kHz. Der kleinste Kernverlust in Transformatoren liegt innerhalb des Praxistemperaturbereichs und verschiedene Untersuchungen der Zugabe von Additiven, der Substitution von Elementen, der Veränderung der Brennbedingungen und anderer Bedingungen wurden bisher angestellt, um so den Kernverlust in Transformatoren innerhalb des Praxistemperaturbereichs zu senken (siehe offengelegte japanische Patentanmeldung (JP-A) Hei-8-169756 etc.). Im Rahmen der gegenwärtigen Tendenz zu Schaltnetzteilen mit kleiner Baugröße und geringem Gewicht wurde Hochfrequenz für die Schaltfrequenz verwendet. Materialien mit geringem Kernverlust für eine etwa zwischen 500 kHz und 1 MHz fallende Frequenz wurden entwickelt (siehe JP-A Hei-8-148323 etc.).
Da jedoch Transformatoren selbst Wärme erzeugen und unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden, ist die Temperatur des tatsächlich angesteuerten Transformatorkerns oftmals hoch und fällt zwischen 80 und 110°C.
Ferrite für Netzteile dieser Bauart wurden in der JP-A Hei-3-141612 und Hei-7-297020 vorgeschlagen. Die darin vorgeschlagenen Mn-Zn-Ferrite haben einen Hauptbestandteil aus ZnO, der nicht kleiner als 10 mol% ist, und ein Additiv aus Nb₂O₅ in der ersteren (Hei-3-141612) oder Nb₂O₅ in Kombination mit ZrO₂ in der letzteren (Hei-7-297020) und zusätzlich SnO₂ und TiO₂ in einer Menge von nicht weniger als 300 ppm enthält, um dadurch den Kernverlust in diesen Ferriten zu senken.
Es ist jedoch weiterhin erwünscht, dass magnetische Oxidmaterialien nicht nur einen geringen Kernverlust, sondern auch eine hohe Sättigungsmagnetflussdichte darin aufweisen sollten, um so effiziente Transformatoren mit kleiner Baugröße innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs zu verwirklichen.
Mn-Zn-Ferrite mit einem ZnO-Gehalt von nicht weniger als 10 mol% könnten einen reduzierten Kernverlust darin verwirklichen, könnten jedoch keine gesteigerte Sättigungsmagnetflussdichte innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs verwirklichen, insbesondere bei einer zwischen 100 und 110°C liegenden Temperatur.
In diesem Zusammenhang kann die Kernverlustreduzierung in Mn-Zn-Ferriten durch Elementsubstitution unter Hinzufügung von SnO₂ und TiO₂ zu den Ferriten realisiert werden. Dennoch sind keine magnetische Oxidmaterialien bekannt, die geeignet sind, eine vergrößerte Sättigungsmagnetflussdichte innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs zu realisieren.
Wenn andererseits der Praxistemperaturbereich für magnetische Oxidmaterialien breit ist, beispielsweise zwischen 20 und 120°Celsius fällt, sind die Materialien unverzichtbar erforderlich, um einen geringen Kernverlust darin zu erfüllen. Wenn jedoch die Sättigungsmagnetflussdichte in den Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur, bei welcher die die Materialien enthaltenden Netzteile verwendet werden, variiert und wenn als Folge davon die Permeabilität der Materialien dadurch variiert wird, wird die Induktivität der Materialien in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variieren, auch wenn sich das Magnetfeld um die Materialien nicht verändert. Aus diesen Gründen wird daher dann, wenn die Materialien zur Leistungsglättung verwendet werden, die Welligkeit in der abgegebenen Leistung variieren, was das Problem verursacht, dass die Leistungsabgabecharakteristiken der die Materialien enthaltenden Netzteile variieren.
Mn-Zn-Ferrite mit einem ZnO-Gehalt von nicht weniger als 10 Mol% könnten einen verminderten Kernverlust darin realisieren, aber die temperaturabhängige Variation der Sättigungsmagnetflussdichte in ihnen ist innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs groß.
Aus den vorstehend angeführten Gründen ist es erwünscht, Ferrite und Transformatoren zu entwickeln, die zur Verwendung bei hohen Temperaturen und auch in einem breiten Temperaturbereich, der hohe Temperaturen einschließt, geeignet sind.
Andererseits werden Transformatoren angestrebt, in welchen der Kernverlust bei ihren Ansteuerungstemperaturen unter den Bedingungen, unter welchen sie eine geringe Wärmemenge selbst erzeugen können, gering ist. Für derartige Transformatoren in dieser Situation ist es weiterhin erwünscht, den Hochfrequenzkernverlust in ihnen zu senken, um so den Bedarf für Schaltnetzteile mit geringer Baugröße und geringem Gewicht zu erfüllen. Die Ansteuerungstemperatur für Transformatoren fällt allgemein zwischen 50 und 70°C. Mit dem fortgeschrittenen Wissen über die Wärmeerzeugung in Transformatoren können Ferrite für Transformatoren jedoch so gestaltet werden, dass der Kernverlust in den Transformatoren, die sie enthalten, innerhalb eines zwischen 80 und 100°C fallenden Temperaturbereichs am niedrigsten sein könnte (siehe JP-A Hei-3-141612, Hei-7-297020, Hei-8-169756, etc.). Von diesen Patentveröffentlichungen zeigt die JP-A Hei-8-169756 einen Mn-Zn-Ferritkern mit geringem Kernverlust auf, der im wesentlichen aus 25 bis 40 mol% MnO und 6 bis 25 mol% ZnO und dem Rest aus Fe₂O₃ besteht und als Nebenbestandteile von 0,002 bis 0,040 Gew.-% SiO₂ und von 0,02 bis 0,20 Gew.-% CaO enthält und in dem die Nebenbestandteil-Elemente so abgesondert sind, dass sie in der Weise in den Korngrenzen sind, dass die Halbbreite ihrer Konzentrationsverteilung nicht größer als 10 nm ist. In der JP-A Hei-8-169756 wird ausgesagt, dass die Nebenbestandteile ferner Nb₂O₅, Ta₂O₅, ZrO₂ und V₂O₅ enthalten können. Die Zusammensetzung der in ihren Beispielen tatsächlich gezeigten Proben war so gestaltet, dass der Kernverlust in ihnen bei 90°C am niedrigsten sein könnte. Kurz gesagt ist die Zusammensetzung der wesentlichen Bestandteile in diesen Proben aus 53,5 mol% Fe₂O₃, 34,5 mol% MnO und 12,0 mol% ZnO aufgebaut.
In der JP-A Hei-8-169756 ist das Ferrit so gestaltet, dass der Kernverlust darin bei Temperaturen, die höher sind als seine Ansteuerungstemperatur, am niedrigsten sein könnte. Unter den Bedingungen, unter welchen Transformatoren eine geringe Wärmemenge selbst erzeugen können, ist es jedoch erforderlich, dass der Kernverlust in den Transformatoren innerhalb eines Temperaturbereichs von 50 bis 70°C, in dem die Transformatoren angesteuert werden, niedriger ist.
Um dieses Erfordernis zu erfüllen, offenbart die JP-A Hei-8-191011 ein Mn-Zn-Co-Ferrit auf, in dem der Kernverlust innerhalb der vorstehend angeführten Ansteuerungstemperatur vermindert ist. Die Additiv-Oxide, die in dem Ferrit sein können, schließen SiO₂, CaO, ZrO₂ und Ta₂O₅ ein.
Das Mn-Zn-Co-Ferrit in der JP-A Hei-8-191011 ist jedoch insofern weiterhin problematisch, als der Kernverlust darin innerhalb des Ansteuerungstemperaturbereichs, der zwischen 50 und 70°C fällt, nicht auf ein zufriedenstellendes Niveau reduziert werden konnte und daher weitere Untersuchungen desselben erfordert.
Die EP-A-0 707 323 offenbart Mn-Zn-Ferrite für Kerne auf, die Siliziumoxid, Calciumoxid, Zinnoxid und/oder Titanoxid, Nioboxid und Zirkoniumoxid in bestimmten Bereichen zum Erzielen eines geringen Leistungsverlustes, eines hohen ^–ΔB = B_n – B_r bei Hochfrequenz und verbesserter μ_a-B-Eigenschaften enthalten
Im Gegensatz dazu ist es die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator zu schaffen, der zu einer geringen Baugröße befähigt und zur Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist. Die zweite Aufgabe ist es, einen Transformator zu schaffen, der zu einer geringen Baugröße befähigt und zur Verwendung in einem breiten Temperaturbereich einschließlich hoher Temperaturen geeignet ist. Die dritte Aufgabe ist es, ein verfahren zum effizienten Ansteuern eines Transformators mit kleiner Baugröße bei hohen Temperaturen zu schaffen. Die vierte Aufgabe ist es, einen hocheffizienten Transformator zu schaffen, der zu geringer Baugröße befähigt ist, bei dem der Kern aus einem solchen Ferrit hergestellt ist, dass der Kernverlust gering ist und die Sättigungsmagnetflussdichte darin innerhalb des Ansteuerungstemperaturbereichs für den Transformator (zwischen 50 und 70°C) hoch ist. Die fünfte Aufgabe ist es, ein Verfahren für das effizienten Ansteuern des Transformators zu schaffen.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen definierte Erfindung gelöst.
In der JP-A Hei-8-169756 wird ein Mn-Zn-Ferrit mit einem ZnO-Gehalt von 6 bis 25 mol% vorgeschlagen, bei dem der Kernverlust bei Temperaturen um 90°C gering ist. Dabei haben die konkret in den Beispielen gezeigten Proben dennoch einen ZnO-Gehalt von 12,0 mol% und einen Fe₂O₃-Gehalt von 53,5 mol%. Daher unterscheidet sich die Erfindung der JP-A Hei-8-169756 offensichtlich von der vorliegenden Erfindung.
In der JP-A Hei-8-148323 sind magnetische Materialien mit einem verminderten Ausmaß des Kernverlusts innerhalb eines Bereichs von Mittelfrequenz- bis Hochfrequenzbändern gezeigt. Dabei haben die Vergleichsproben, auf die in den Beispielen bezug genommen wird, einen ZnO-Gehalt von 8,0 mol%. In der JP-A Hei-8-148323 wird jedoch auf nichts Bezug genommen, das sich auf die Zugabe von Nb₂O₅ zu Ferriten bezieht. Daher ist die technische Idee für die Erfindung der JP-A Hei-8-148323 von derjenigen für die vorliegende Erfindung grundsätzlich verschieden.
In der JP-A Hei-8-191011 sind Mn-Zn-Co-Ferrite für Transformatoren gezeigt, in welchen der Kernverlust bei der Ansteuerungstemperatur für die Transformatoren vermindert ist. In der JP-A Hei-8-191011 wird jedoch auf nichts Bezug genommen, das sich auf die Zugabe von Nb₂O₅ zu den Ferriten bezieht. Daher ist die technische Idee für die Erfindung der JP-A Hei-8-191011 von derjenigen für die vorliegende Erfindung ebenfalls grundsätzlich verschieden.
In den beiliegenden Zeichnungen ist
1 ein Diagramm, das eine temperaturabhängige Veränderung des Kernverlusts in Ferritproben zeigt; und
2 ein Diagramm, das die temperaturabhängige Veränderung der Sättigungsmagnetflussdichte in Ferritproben zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Das Ferritkernmaterial für eine Ausführungsform der Transformatoren gemäß der Erfindung enthält ein Ferrit, das die nachfolgend angeführte Zusammensetzung hat, in dem die Sättigungsmagnetflussdichte Bs (Gleichstrom) bei einer zwischen 100 und 120°C fallenden Temperatur nicht kleiner als 410 mT ist.
Wesentliche Bestandteile
Eisenoxid in einer Menge von 53 bis 55 mol% (berechnet als Fe₂O₃),
Zinkoxid in einer Menge von 4,0 bis 9,5 mol%, vorzugsweise von 6,5 bis 9,5 mol% (berechnet als ZnO),
und
Manganoxid als Restmenge (berechnet als MnO).
Nebenbestandteile
Siliziumoxid in einer Menge von 60 bis 200 ppm, vorzugsweise von 80 bis 150 ppm (berechnet als SiO₂),
Calciumoxid in einer Menge von 300 bis 1200 ppm, vorzugsweise von 600 bis 1000 ppm (berechnet als CaCO₃),
Nioboxid in einer Menge von 50 bis 500 ppm, vorzugsweise von 150 bis 400 ppm (berechnet als Nb₂O₅),
und
Zirkoniumoxid in einer Menge von 10 bis 450 ppm, vorzugsweise von 40 bis 300 ppm (berechnet als ZrO₂).
Die Ferritzusammensetzung ist durch ein hohes Bs bei den vorstehend angeführten hohen Temperaturen und durch einen verminderten Kernverlust in einem Hochtemperaturbereich (der zwischen 100°C und 110°C fällt) gekennzeichnet.
Daher können Transformatoren, deren Kern aus dem Ferrit des vorstehend beschriebenen Typs hergestellt ist, effizient angesteuert werden, auch wenn die Temperatur des Ferritkerns auf Grund der von dem Transformator selbst erzeugten Wärme oder in Hochtemperaturbedingungen 80 bis 110°C erreicht, sodass daher die Transformatoren zur Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet sind. Da genauer ausgedrückt das Ferritmaterial ein hohes Bs bei hohen Temperaturen verwirklicht, können die Ferritkerne in den Transformatoren eine geringe Baugröße haben, und daher können die Transformatoren selbst eine geringe Baugröße haben. Da zusätzlich der Kernverlust in den Transformatoren bei hohen Temperaturen gering ist, kann die von den Transformatoren bei hohen Temperaturen verbrauchte Leistung und auch die von ihnen erzeugte Wärme vermindert werden.
Das Bs (Gleichstrom) in dem Ferrit mit der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung ist nicht kleiner als 410 mT bei einer zwischen 100 und 120°C fallenden Temperatur. Wie 2 zeigt, variiert das Bs linear relativ zu der Umgebungstemperaturveränderung und sein temperaturabhängiger Koeffizient ist negativ. Daher muss das Bs in dem Ferrit mindestens 410 mT bei 120°C sein. Vorzugsweise ist das Bs in dem Ferrit innerhalb des vorstehend angeführten Temperaturbereichs mindestens 415 mT, bevorzugter mindestens 420 mT. Obgleich es nicht besonders festgelegt ist, kann der obere Grenzwert von Bs etwa 500 mT sein. Der temperaturabhängige Koeffizient von Bs ist durch die folgende Gleichung dargestellt, in der Bs [100°C] den Wert von Bs bei 100°C angibt und Bs [120°C] den Wert von Bs bei 120°C angibt. Der Koeffizient fällt allgemein etwa zwischen –1,6 und 0 mT/°C. Temperaturabhängiger Koeffizient = (Bs[120°C] – Bs[100°C])/(120°C – 100°C)
Wenn der Kernverlust in dem Ferrit bei einer Frequenz gemessen wird, die zwischen 20 und 500 kHz (vorzugsweise zwischen 75 und 150 kHz) fällt, und in einer Erregungsmagnetflussdichte, die zwischen 200 und 500 mT (vorzugsweise zwischen 200 und 350 mT) fällt, liegt sein kleinster Wert innerhalb eines Temperaturbereichs, der zwischen 100 und 110°C fällt, und der auf diese Weise gemessene Kernverlust (bei 100 kHz und in 200 mT) beträgt höchstens 300 kW/m³, bevorzugt höchstens 270 kW/m³. Der unterste Grenzwert des Kernverlusts kann etwa 200 kW/m³ betragen, obgleich dies nicht besonders festgelegt ist.
Im Gegensatz zu der vorstehend angeführten Ferritzusammensetzung ist der Kernverlust bei anderen, deren Zusammensetzung der wesentlichen Bestandteile außerhalb der vorstehend angeführten Bereiche liegt, hoch und das Bs ist darin oftmals in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der wesentliche Bestandteile reduziert. Viele herkömmliche Mn-Zn-Ferritmaterialien für Transformatoren haben einen ZnO-Gehalt von nicht weniger als 10 mol%, um den Kernverlust in ihnen zu reduzieren. Im Gegensatz zu diesen ist die vorliegende Erfindung durch die verringerte Menge an ZnO in dem Ferrit gekennzeichnet, wodurch das Bs in dem Ferrit gesteigert wird. Wenn daher in der Erfindung der ZnO-Gehalt des Ferrits größer ist als 9,5 mol%, wird das Bs in dem Ferrit niedriger sein. Wenn jedoch andererseits der ZnO-Gehalt des Ferrits kleiner ist als 4,0 mol%, wird der Kernverlust in dem Ferrit zunehmen. Wenn der Fe₂O₃-Gehalt des Ferrits kleiner ist als 53 mol%, wird die Temperatur, bei welcher der Kernverlust in dem Ferrit am niedrigsten sein könnte, höher als 110°C sein, was zur Folge hat, dass der Kernverlust in dem Ferrit innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs zunimmt. In Abhängigkeit von dem Verhältnis von Fe/Mn in dem Ferrit mit einem Fe₂O₃-Gehalt von 54 bis 55 mol% könnte der Kernverlust in dem Ferrit bei einer beliebigen, zwischen 50 und 110°C fallenden Temperatur am niedrigsten sein. Daher ist es in Übereinstimmung mit dem vorgesehenen Temperaturbereich für Transformatoren möglich, jede gewünschte Zusammensetzung des Ferrits auszuwählen, in welchem der Kernverlust innerhalb des Temperaturbereichs geringer sein könnte. Wenn jedoch der Fe₂O₃-Gehalt des Ferrits größer ist als 55 mol%, könnte der Kernverlust in dem Ferrit innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen 100 und 110°C nicht am niedrigsten sein, und der kleinste Kernverlust in dem Ferrit wird bei Temperaturen, die niedriger sind als dieser Bereich, auftreten. Wenn dies der Fall ist, wird daher der Kernverlust in dem Ferrit innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs zunehmen.
Der Zusammensetzungsbereich der Nebenbestandteile in dem Ferrit gemäß der Erfindung ist im wesentlichen zu dem Zweck definiert, die Reduzierung des Kernverlusts in dem Ferrit zu verwirklichen. Wenn die Mengen der das Ferrit bildenden Nebenbestandteile außerhalb der definierten Bereiche liegen, wird der Kernverlust in dem Ferrit zunehmen. SiO₂ und CaO bilden eine intergranulare Phase in dem Ferrit, während sie zur Erhöhung des Widerstands des Ferrits beitragen. Wenn demgemäß ihre zu dem Ferrit zugegebenen Mengen zu klein sind, wird ihr Beitrag zu der Widerstandserhöhung klein sein; wenn sie jedoch zu groß sind, verursachen sie ein anormales Kornwachstum in dem Ferrit, wodurch der Kernverlust in dem Ferrit zunimmt. Aus diesen Gründen sind daher die zuzugebenden Mengen von SiO₂ und CaO so definiert, dass sie in die vorstehend angeführten Bereiche fallen. Zu dem Ferrit zusammen mit SiO₂ und CaO zugegebenes Nb₂O₅ und ZrO₂ dienen dazu, anormales Kornwachstum in dem Ferrit zu verhindern, während sie zur Bildung einer dünnen und gleichförmigen, hoch widerstandsfähigen Phase in den Korngrenzen des Ferrits beitragen. Wenn jedoch ihre Mengen größer sind als die definierten Bereiche, verursachen die Nebenbestandteile ein anormales Kornwachstum in dem Ferrit und erhöhen dadurch den Kernverlust darin. Wenn im Gegensatz dazu ihre Mengen kleiner sind als die definierten Bereiche, werden die Nebenbestandteile unwirksam und können nicht zu der Reduzierung des Kernverlusts in dem Ferrit beitragen.
Die mittlere Korngröße des Ferrits kann allgemein zwischen etwa 10 und 30 μm fallen.
Um die Reduzierung des Kernverlusts in dem Ferrit zu verwirklichen, können auf Wunsch zusätzliche Nebenbestandteile aus Zinnoxid (seine Menge wird als SnO₂ berechnet) und/oder Titanoxid (seine Menge wird als TiO₂ berechnet) zu dem Ferrit in einer Menge von nicht mehr als 5000 ppm zugegeben werden. Die tetravalenten, nicht magnetischen Kationen können jedoch in den das Ferrit bildenden Körnern gelöste Stoffe bilden und dadurch das Bs in dem Ferrit um einige Prozent reduzieren.
Der Effekt der vorliegenden Erfindung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kernverlust in dem Ferrit gering ist und das Bs darin in dem vorstehend angeführten vorbestimmten Temperaturbereich hoch ist, wird weiter verbessert, wenn die Mengen der das Ferrit bildenden Bestandteile in die vorstehend angeführten bevorzugten Bereiche fallen.
Der erfindungsgemäße Transformator hat einen Kern, der aus dem Ferrit mit der vorstehend genannten Zusammensetzung und den vorstehend genannten Eigenschaften aufgebaut ist, und wird daher bei einer zwischen 60 und 120°C (vorzugsweise zwischen 100 und 110°C) fallenden Temperatur, bei einer zwischen 20 und 500 kHz (vorzugsweise zwischen 75 und 150 kHz) fallenden Frequenz und in einer zwischen 200 und 500 mT (vorzugsweise zwischen 200 und 350 mT) fallenden Erregungsmagnetflussdichte gut angesteuert.
Zur Herstellung der Ferritkerne für Transformatoren gemäß der Erfindung wird zunächst eine Mischung von vorbestimmten Mengen eines Eisenoxidbestandteils, eines Manganoxidbestandteils und eines Zinkoxidbestandteils hergestellt.
Verbindungen für die vorstehend genannten Nebenbestandteile werden zu der Mischung der Hauptbestandteile zugegeben. Ihre Mengen sollen so gesteuert werden, dass die fertige Mischung das vorbestimmte Zusammensetzungsverhältnis hat. Nachdem die wesentlichen Bestandteile und die Nebenbestandteile auf diese Weise gemischt wurden, wird eine kleine Menge eines geeigneten Bindemittels, beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA) dazu zugegeben und die resultierende Mischung wird unter Verwendung einer Sprühtrocknungsvorrichtung oder dergleichen zu Körnern granuliert, die eine zwischen etwa 80 und 200 μm fallende Korngröße haben. Anschließend werden die Körner geformt und die resultierenden Formkörper werden in einer Atmosphäre mit einer kontrollierten Sauerstoffkonzentration bei einer vorbestimmten, zwischen 1250 und 1400°C fallenden Temperatur gebrannt.
Der erfindungsgemäße Transformator kann durch Wickeln eines vorbestimmten Drahtes um den in der vorstehend beschriebenen Weise in eine bestimmte Form geformten Ferritkern hergestellt werden. Die Form und die Größe des Kerns können in Abhängigkeit von dem Ziel und der Nutzung des herzustellenden Transformators variiert werden. Beispielsweise kann der Kern jede Gestalt einer Toroidform, E-förmigen Form, RM-förmigen Form, ET-förmigen Form, UU-förmigen Form, FT-förmigen Form, PQ-förmigen Form etc. haben. Die Transformatoren gemäß der Erfindung können eine geringe Baugröße haben. Beispielsweise kann bei den für die Verwendung bei hohen Temperaturen geeigneten die Größe des Kerns um 5 bis 40% kleiner sein als bei herkömmlichen Kernen.
Die Windungszahl für den Kern kann in Abhängigkeit von dem Zweck und der Verwendung des herzustellenden Transformators variiert werden.
Der Transformator gemäß vorliegender Erfindung kann in Schaltnetzteilen für viele stromsparende elektronische Geräte geringer Baugröße verwendet werden. Zusätzlich kann der Transformator auch in Netzteilen verwendet werden, die an Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen montiert werden.
Der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die folgenden Beispiele im Detail beschrieben, die jedoch den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Beispiel 1
Wesentliche Bestandteile von Fe₂O₃, MnO und ZnO wurden jeweils in einer vorbestimmten Menge, wie in Tabelle 1 und 2 angegeben, gewogen, nass gemischt und anschließend zwei Stunden lang in Luft bei 850°C calciniert. In Abhängigkeit von den Mengen der wesentlichen Bestandteile wurden vorbestimmte Mengen der Nebenbestandteile von SiO₂, CaCO₃, Nb₂O₅ und ZrO₂ zu der resultierenden Mischung zugegeben und nass gemahlen, um ein Ferritpulver zu erzielen. 0,8 Gew.-% eines Bindemittels aus PVA, gerechnet als sein Feststoffgehalt, wurden zu dem Pulver zugegeben und granuliert. Die erhaltenen Körner wurden unter einem Druck von 1 Tonne/cm² zu Toroidformkörpern geformt (Außendurchmesser: 24 mm, Innendurchmesser: 12 mm, Dicke: 5,5 mm). Die Formkörper wurden in einer Mischgasatmosphäre aus N₂-O₂ mit einem kontrollierten Sauerstoffpartialdruck bei einer Brenntemperatur von 1300°C 5 Stunden lang gebrannt. Auf diese Weise wurden Toroidkerne mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm erhalten. Durch Röntgenfluoreszenzspektrometrie wurde bestätigt, dass die endgültige Ferritzusammensetzung der Zusammensetzung der Ausgangsbestandteile entsprach.
Jede hierin erhaltene Probe wurde in einem Wechselstrom-B-H-Analysegerät (IWATSU-SY8232) auf den Kernverlust darin bei einer Erregungsmagnetflussdichte von 200 mT und bei einer Frequenz von 100 kHz getestet. Zusätzlich wurde sie in einem Gleichstrom-B-H-Analysegerät (YEW4192) auf die Sättigungsmagnetflussdichte Bs darin in einem Magnetfeld von 15 Oe und bei einer Temperatur von 120°C getestet.
Tabelle 1 und 2 zeigen die Daten von Bs und dem kleinsten Kernverlust in jeder Probe sowie die Temperatur, bei der der Kernverlust minimiert war. 1 zeigt die temperaturabhängige Variation in dem Kernverlust in den Proben Nr. 103 und 104 (Proben gemäß der Erfindung) und der Probe Nr. 106 (herkömmliche Probe).
Aus den Daten in Tabelle 1 und 2 und 1 ist zu erkennen, dass die Sättigungsmagnetflussdichte in den Proben gemäß der Erfindung bei hohen Temperaturen hoch ist und dass der Kernverlust darin bei zwischen 100 und 110°C fallenden Temperaturen extrem niedrig ist.
Insbesondere ist zu erkennen, dass der Kernverlust in den Ferritkernen für Transformatoren gemäß vorliegender Erfindung niedrig ist und dass die Sättigungsmagnetflussdichte darin im Vergleich zu den Werten in dem herkömmlichen Ferritkern für Transformatoren der Probe Nr. 106 hoch ist. Obgleich eine derartig hohe Sättigungsmagnetflussdichte realisiert wird, können die Ferritkerne für Transformatoren gemäß der Erfindung dennoch eine kleine Baugröße aufweisen und auch die erfindungsgemäßen Transformatoren selbst können in kleiner Größe ausgeführt werden.
Unter Verwendung des Ferritkerns der Probe Nr. 103 gemäß der Erfindung wurde ein Transformator hergestellt.
Kurz ausgedrückt war der Ferritkern PQ-förmig und hatte eine Größe von 59 mm × 42 mm × 27 mm (Metatarsal-Durchmesser: 24 mm). Hinsichtlich der Windungszahl des Kerns hatte die Primärspule eine Windung und die Sekundärspule 4 Windungen.
Es wurde festgestellt, dass der Transformator bei einer Temperatur von 110°C, bei einer Frequenz von 100 kHz und in einer Erregungsmagnetflussdichte von 200 mT gut angesteuert wird.
Zusätzlich wurde festgestellt, dass der Ferritkern gemäß der Erfindung kleinere Abmessungen als der herkömmliche Ferritkern der Probe Nr. 106 hat (um etwa 10%, berechnet als Querschnitt des Kerns). Darüber hinaus wurde ferner festgestellt, dass die von dem erfindungsgemäßen Transformator verbrauchte Leistung vermindert war und dass die von dem angesteuerten Transformator erzeugte Wärme reduziert war.
Beispiel 2
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurden Ferritkernproben (Toroidkerne) für Transformatoren hergestellt, die jeweils die in Tabelle 3 aufgeführte Zusammensetzung hatten. Ebenfalls in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurde das Bs in diesen Proben gemessen.
Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 aufgeführt.
In den erfindungsgemäßen Proben nahm das Bs mit der Zunahme der Umgebungstemperatur von 100°C auf 110°C und 120°C linear ab. Aus den Daten in Tabelle 3 ist zu ersehen, dass Bs in diesen Proben nicht niedriger als 410 mT innerhalb eines Temperaturbereichs von 100 bis 120°C ist. Der Kernverlust in diesen Proben war bei Temperaturen von 100 bis 110°C niedrig.
Beispiel 3
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurden Ferritkernproben (Toroidkerne) für Transformatoren hergestellt, die jeweils die in Tabelle 4 und 5 gezeigte Zusammensetzung hatten. Ebenfalls in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurde das Bs in diesen Proben gemessen. Dabei wurden jedoch die Proben bei einer zwischen 20 und 120°C fallenden Umgebungstemperatur gemessen. Tabelle 4 und 5 zeigen die Daten von Bs und des temperaturabhängigen Koeffizienten von Bs, dBs/dT (T = 20 bis 120°C). 2 zeigt ein Diagramm der temperaturabhängigen Variation von Bs in der Probe Nr. 301 (erfindungsgemäße Probe, entspricht der Probe Nr. 103 in Beispiel 1) und in einer herkömmlichen Probe (Probe Nr. 309, entspricht der Probe Nr. 106 in Beispiel 1).
Aus den Daten in den Tabellen 4 und 5 und 2 ist zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Proben einen negativen temperaturabhängigen Koeffizienten von Bs haben, dass der absolute Wert des temperaturabhängigen Koeffizienten nicht größer als 1,6 mT/°C ist und dass das Bs in den Proben bei Temperaturen von 20 bis 120°C hoch ist. Der Kernverlust in diesen Proben war bei Temperaturen von 100 bis 110°C gering.
Beispiel 4
Wesentliche Bestandteile von Fe₂O₃, MnO und ZnO wurden jeweils in einer vorbestimmten Menge, wie in Tabelle 6 und 7 angegeben, gewogen, nass gemischt und anschließend in Luft bei 850°C zwei Stunden lang calciniert. In Abhängigkeit von den Mengen der wesentlichen Bestandteile wurden vorbestimmte Mengen der Nebenbestandteile von SiO₂, CaCO₃, Nb₂O₅ und ZrO₂ zu der resultierenden Mischung zugegeben und nass gemahlen, um ein Ferritpulver zu erzielen. 0,8 Gew.-% eines Bindemittels aus PVA, gerechnet als sein Feststoffgehalt, wurden zu dem Pulver zugegeben und granuliert. Die erhaltenen Körner wurden unter einem Druck von 1 Tonne/cm² zu Toroidformkörpern geformt (Außendurchmesser: 24 mm, Innendurchmesser: 12 mm, Dicke: 5,5 mm). Die Formkörper wurden in einer Mischgasatmosphäre aus N₂-O₂ mit einem kontrollierten Sauerstoffpartialdruck bei einer Brenntemperatur von 1300°C 5 Stunden lang gebrannt. Auf diese Weise wurden Toroidkerne mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm erhalten. Unter Verwendung von Ta₂O₅ anstelle von Nb₂O₅ wurde eine unterschiedliche Kernprobe in der hierin beschriebenen Weise hergestellt.
Durch Röntgenfluoreszenzspektrometrie wurde bestätigt, dass die endgültige Ferritzusammensetzung jeweils der Zusammensetzung der Ausgangsbestandteile entsprach.
Jede hierin erhaltene Probe wurde in einem Wechselstrom-B-H-Analysegerät (IWATSU-SY8232) auf den Kernverlust darin bei einer Erregungsmagnetflussdichte von 200 mT und bei einer Frequenz von 100 kHz getestet. Zusätzlich wurde sie in einem Gleichstrom-B-H-Analysegerät (YEW4192) auf die Sättigungsmagnetflussdichte Bs darin in einem Magnetfeld von 15 Oe und bei einer Temperatur von 60°C getestet.
Die Tabellen 6 und 7 zeigen die Daten von Bs und dem kleinsten Kernverlust in jeder Probe sowie die Temperatur, bei der der Kernverlust minimiert war.
Aus den Daten in den Tabellen 6 und 7 ist zu erkennen, dass Bs in den erfindungsgemäßen Proben innerhalb eines Temperaturbereichs (50 bis 70°C), in dem Transformatoren angesteuert werden können, hoch ist, und dass der Kernverlust darin innerhalb des Ansteuerungstemperaturbereichs niedrig ist.
Im Gegensatz dazu ist der Kernverlust in der Probe mit einem ZnO-Gehalt von weniger als 6 mol% hoch (Probe Nr. 409), und Bs in der Probe mit einem ZnO-Gehalt von mehr als 11 mol% ist niedrig (Probe Nr. 410). In der Probe mit einem Fe₂O₃-Gehalt von mehr als 56 mol% tritt der kleinste Kernverlust bei einer niedrigen Temperatur auf, und der Kernverlust bei Temperaturen um den Ansteuerungstemperaturbereich ist hoch (Probe Nr. 411). In den Proben, in welchen die Mengen der Nebenbestandteile die hierin festgelegten Bereiche insgesamt überschreiten, ist der Kernverlust bei Temperaturen um den Ansteuerungstemperaturbereich hoch (Probe Nr. 413 bis 419). In der Probe, die Ta₂O₅ an Stelle von Nb₂O₅ enthält, ist der Kernverlust hoch (Probe Nr. 420). Im Ferritkerne mit einem Fe₂O₃-Gehalt von weniger als 54 mol% tritt der kleinste Kernverlust innerhalb eines Temperaturbereichs von 100 bis 110°C wie in der Probe Nr. 101 (Tabelle 1) in Beispiel 1 auf; und der Kernverlust in diesen Kernen innerhalb des Ansteuerungstemperaturbereichs ist hoch (beispielsweise 431 kW/m³ bei 60°C). Daher sind Ferritkerne mit einem so geringen Fe₂O₃-Gehalt für die Verwendung in Transformatoren nicht geeignet, die innerhalb des Temperaturbereichs von 50 bis 70°C anzusteuern sind.
Beispiel 5
Zu der Zusammensetzung von Probe 402 in Beispiel 4 (Tabelle 6) wurde Kobaltoxid in einer Menge von 2000 ppm, berechnet als Co₃O₄, zugegeben, um Probe Nr. 402A herzustellen. Dabei wurde Kobaltoxid mit den wesentlichen Bestandteilen Fe₂O₃, MnO und ZnO vor dem Calcinieren gemischt.
Die Probe wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 4 hinsichtlich ihrer Eigenschaften bewertet. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 8 gezeigt.
Tabelle 8
Die Daten in Tabelle 8 bestätigen das praktische Niveau dieser Probe.
Beispiel 6
Unter Verwendung des Ferritkerns von Probe Nr. 401 in Beispiel 4 wurde ein Transformator A hergestellt.
Kurz ausgedrückt war der Ferritkern PQ-förmig und hatte eine Größe von 59 mm × 42 mm × 27 mm (Metatarsal-Durchmesser: 24 mm). Hinsichtlich der Windungszahl des Kerns hatte die Primärspule eine Windung und die Sekundärspule 4 Windungen.
Es wurde festgestellt, dass der Transformator A bei einer Temperatur von 60°C, bei einer Frequenz von 100 kHz und in einer Erregungsmagnetflussdichte von 200 mT gut angesteuert wird.
Gemäß vorliegender Erfindung werden Ferrite erhalten, bei welchen der Kernverlust gering ist und Bs bei hohen Temperaturen hoch ist. Ferner werden Transformatoren erhalten, die zu einer geringen Baugröße befähigt sind und zur Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet sind. Die Transformatoren können effizient auch bei hohen Temperaturen angesteuert werden. Ferner sind die Transformatoren zur Verwendung in einem breiten Temperaturbereich einschließlich hoher Temperaturen geeignet und können in geringer Größe ausgeführt werden.
Auch werden gemäß der Erfindung Transformatoren mit hohem Wirkungsgrad erhalten, die in kleiner Größe ausgeführt werden können, in welchen der Kernverlust in dem Ferritkern gering ist und die Sättigungsmagnetflussdichte bei Temperaturen, bei welchen die Transformatoren angesteuert werden, hoch ist. Die erfindungsgemäßen Transformatoren können mit dem erfindungsgemäßen Ansteuerungsverfahren für diese effizient angesteuert werden.
Während die Erfindung im Detail und unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann deutlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang derselben zu verlassen.

Claims

Transformator, dessen Kern aus einem Ferrit hergestellt ist, das im wesentlichen aus Eisenoxid in einer Menge von 53 bis 55 mol%, berechnet als Fe₂O₃, Zinkoxid in einer Menge von 4,0 bis 9,5 mol%, berechnet als ZnO, und Manganoxid besteht und als Nebenbestandteile Siliciumoxid einer Menge von 60 bis 200 ppm, berechnet als SiO₂, Calciumoxid einer Menge von 300 bis 1200 ppm, berechnet als CaCO₃, Nioboxid in einer Menge von 50 bis 500 ppm, berechnet als Nb₂O₅, und Zirkoniumoxid in einer Menge von 10 bis 450 ppm, berechnet als ZrO₂, enthält, und bei dem die Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei einer zwischen 100 und 120°C fallenden Temperatur nicht kleiner als 410 mT ist.
Transformator nach Anspruch 1, bei welchem der kleinste Kernverlust in dem Ferrit innerhalb eines Temperaturbereichs ist, der zwischen 100 und 110°C fällt, und der kleinste Kernverlust (bei einer Frequenz von 100 kHz) nicht größer als 300 KW/m³ ist.
Transformator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Zinkoxid in einer Menge von 6,5 bis 9,5 mol%, berechnet als ZnO, vorhanden ist.
Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Siliziumoxid in einer Menge von 80 bis 150 ppm, berechnet als SiO₂, vorhanden ist.
Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Calciumoxid in einer Menge von 600 bis 1000 ppm, berechnet als CaCO₃, vorhanden ist.
Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Nioboxid in einer Menge von 150 bis 400 ppm, berechnet als Nb₂O₅, vorhanden ist.
Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Zirkoniumoxid in einer Menge von 40 bis 300 ppm, berechnet als ZrO₂, vorhanden ist.
Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Zinkoxid in einer Menge von 2,0 bis 8,0 mol%, berechnet als ZnO, vorhanden ist und bei dem der absolute Wert des temperaturabhängigen Koeffizienten der Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei einer zwischen 20 und 120°C fallenden Temperatur nicht größer als 1,6 mT/°C ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines Transformators nach einem der vorstehenden Ansprüche, enthaltend das Ansteuern des Transformators bei einer zwischen 60 und 120°C fallenden Temperatur mit einer zwischen 20 und 500 kHz fallenden Frequenz und in einer Erregungsmagnetflussdichte, die zwischen 200 und 500 mT fällt.