DE69920778T2 - Transformator mit Ferritkern und dessen Betriebsverfahren - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Transformator mit einem Mn-Zn-Ferritkern, bei dem der Kernverlust niedrig ist und die Sättigungsmagnetflussdichte bei seiner Betriebstemperatur, die zwischen etwa 50 und 70°C fällt, hoch ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Transformators.
  • Als Materialien für Transformatoren für verschiedene Kommunikationsgeräte, Haushaltsgeräte und Industriegeräte etc. werden vielfach Mn-Zn-Ferrite 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 es wurden bisher verschiedene Untersuchungen über die Zugabe von Additiven, die Substitution von Elementen, die Veränderung von Brennbedingungen und weiteres durchgeführt, um so den Kernverlust in Transformatoren in dem Praxistemperaturbereich zu senken (siehe japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift (JP-A) Hei-8-169756 etc.). Angesichts der gegenwärtigen Tendenz zu Schaltnetzteilen mit kleiner Baugröße und geringem Gewicht wird nun als Schaltfrequenz eine Hochfrequenz verwendet. Es wurden Materialien mit geringem Kernverlust für eine zwischen etwa 500 kHz und 1 MHz fallende Frequenz entwickelt (siehe JP-A Hei-8-148323 etc.).
  • Da jedoch Transformatoren selbst Wärme erzeugen und in Hochtemperaturumgebungen verwendet werden, wird die Temperatur des tatsächlich betriebenen 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 wesentlichen ZnO-Bestandteil, der nicht kleiner als 10 mol% ist, und ein Additiv aus Nb2O5 in der erstgenannten (Hei-3-141612) oder Nb2O5 kombiniert mit ZrO2 in der letztgenannten (Hei-7-297020) und enthalten zusätzlich SnO2 und TiO2 in einer Menge von nicht weniger als 300 ppm, um dadurch den Kernverlust in diesen Ferriten zu senken.
  • Es wird jedoch weiterhin angestrebt, dass magnetische Oxidmaterialien nicht nur einen geringen Kernverlust, sondern auch eine hohe Sättigungsmagnetflussdichte darin aufweisen sollen, 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 verringerten Kernverlust verwirklichen, jedoch nicht eine erhöhte Sättigungsmagnetflussdichte innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs, insbesondere bei einer zwischen 100 und 110°C fallenden Temperatur.
  • In diesem Zusammenhang könnte die Reduzierung des Kernverlusts in Mn-Zn-Ferriten durch Substitution von Elementen durch Zugabe von SnO2 und TiO2 zu den Ferriten verwirklicht werden. Es sind jedoch keine magnetischen Oxidmaterialien bekannt, die in der Lage sind, eine erhöhte Sättigungsmagnetflussdichte innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs zu verwirklichen.
  • Wenn andererseits der Praxistemperaturbereich für magnetische Oxidmaterialien breit ist, wenn er beispielsweise zwischen 20 und 120 °C fällt, sind die Materialien unverzichtbar erforderlich, um einen niedrigen Kernverlust darin zu verwirklichen. Wenn jedoch die Sättigungsmagnetflussdichte in den Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur, bei welcher die diese Materialien verwendenden Netzteile genutzt werden, variiert und wenn als Folge davon die Permeabilität der Materialien dadurch verändert wird, wird die Induktivität der Materialien in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variieren, auch wenn das Magnetfeld um die Materialien sich nicht verändert. Wenn die Materialien zur Leistungsglättung verwendet werden, wird aus diesen Gründen die Welligkeit in der abgegebenen Leistung schwanken, wodurch das Problem verursacht wird, dass die Leistungsabgabecharakteristik der diese Materialien enthaltenden Netzteile variiert.
  • Mn-Zn-Ferrite mit einem ZnO-Gehalt von nicht weniger als 10 mol% könnten einen reduzierten Kernverlust verwirklichen, aber die temperaturabhängige Schwankung der Sättigungsmagnetflussdichte in ihnen ist innerhalb des vorstehend angeführten Praxistemperaturbereichs hoch.
  • 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 gewünscht, bei welchen der Kernverlust bei ihren Betriebstemperaturen unter den Bedingungen, unter welchen sie selbst eine geringe Wärmemenge erzeugen können, gering ist. Für derartige Transformatoren in dieser Situation ist es weiterhin erstrebenswert, den Hochfrequenz-Kernverlust in ihnen zu senken, um so den Anforderungen von leichten Schaltnetzteilen mit geringer Baugröße gerecht zu werden. Die Betriebstemperatur für Transformatoren fällt allgemein zwischen 50 und 70°C. Angesichts des bereits vorhandenen Wissens um die Wärmeerzeugung in Transformatoren können Ferrite für Transformatoren so gestaltet werden, dass der Kernverlust in den Transformatoren, die sie enthalten, innerhalb eines Temperaturbereichs am niedrigsten sein könnte, der zwischen 80 und 100°C fällt (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 95 mol% ZnO mit der Restmenge aus Fe2O3 besteht und als Nebenbestandteile 0,002 bis 0,040 Gew.-% SiO2 und 0,02 bis 0,20 Gew.-% CaO enthält und in dem die Elemente der Nebenbestandteile abgesondert sind, sodass sie in der Weise in den Korngrenzen liegen, dass die Halbbreite ihrer Konzentrationsverteilung nicht größer als 10 nm ist. In der JP-A Hei-8-169756 wird angegeben, dass die Nebenbestandteile ferner Nb2O5, Ta2O5, ZrO2 und V2O5 enthalten können. Die in ihren Beispielen tatsächlich gezeigte Zusammensetzung der Proben war so gestaltet, dass der Kernverlust darin bei 90°C am niedrigsten sein konnte. Kurz ausgedrückt ist die Zusammensetzung der wesentlichen Bestandteile in diesen Proben aus 53,5 mol% Fe2O3, 34,5 mol% MnO und 12,0 mol% ZnO zusammengesetzt.
  • In der JP-A Hei-8-169756 ist das Ferrit so gestaltet, dass der Kernverlust darin bei Temperaturen am niedrigsten sein könnte, die höher als seine Betriebstemperatur sind. Unter den Bedingungen, bei welchen Transformatoren eine geringe Wärmemenge selbst erzeugen können, ist es jedoch erforderlich, dass der Kernverlust der Transformatoren innerhalb eines Temperaturbereichs von 50 bis 70°C niedriger ist, in dem die Transformatoren betrieben werden.
  • Um diese Erfordernisse zu erfüllen, zeigt die JP-A Hei-8-191011 ein Mn-Zn-Co-Ferrit auf, in dem der Kernverlust innerhalb der vorstehend genannten Betriebstemperatur vermindert ist. Die zusätzlichen Oxide, die in dem Ferrit enthalten 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 Betriebstemperaturbereichs, der zwischen 50 und 70°C fällt, nicht auf ein zufriedenstellendes Niveau reduziert werden konnte und daher weitere Untersuchungen daran erforderlich sind.
  • Die Patentanmeldung EP-A-0931779 ist auf ein Ferrit gerichtet, in dem der Kernverlust niedrig ist und die Sättigungsmagnetflussdichte bei hohen Temperaturen hoch ist. Die vorliegende Anmeldung soll einen Transformator mit hohem Wirkungsgrad schaffen, der in einer kleinen Baugröße ausgeführt werden kann, dessen Kern aus einem Ferrit hergestellt ist, in dem der Kernverlust niedrig ist und die Sättigungsmagnetflussdichte innerhalb des Betriebstemperaturbereichs (zwischen 50 und 70 °C) für den Transformator hoch ist.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird geschaffen:
    • (1) Ein Transformator, dessen Kern aus einem Ferrit hergestellt ist, das im wesentlichen aus Eisenoxid in einer Menge von 54 bis 55 mol%, berechnet als Fe2O3, Zinkoxid in einer Menge von 6 bis 11 mol%, berechnet als ZnO, und Manganoxid besteht und der als Nebenbestandteile Siliciumoxid einer Menge von 80 bis 150 ppm, berechnet als SiO2, Calciumoxid einer Menge von 600 bis 1000 ppm, berechnet als CaCO3, Nioboxid in einer Menge von 150 bis 400 ppm, berechnet als Nb2O5, und Zirkoniumoxid in einer Menge von 40 bis 300 ppm, berechnet als ZrO2, enthält und bei dem die Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei 60 °C nicht kleiner als 480 mT ist, der kleinste Kernverlust in dem Ferrit innerhalb eines Temperaturbereichs liegt, der zwischen 50 und 70°C fällt, und der kleinste Kernverlust (bei einer Frequenz von 100 kHz) nicht größer als 260 KW/m3 ist.
    • (2) Transformator nach (1), bei dem der Zinkoxidgehalt des Ferrits zwischen 6 und 9,5 mol%, berechnet als ZnO, fällt.
    • (3) Transformator nach (1) oder (2), bei dem die Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei 60°C nicht kleiner als 500 mT ist.
    • (4) Verfahren zum Betreiben eines Transformators nach einem der Punkte (1) bis (3) bei einer zwischen 50 und 70°C fallenden Temperatur mit einer zwischen 20 und 500 kHz fallenden Frequenz und in einer Erregungsmagnetflussdichte, die zwischen 125 und 500 mT fällt.
  • 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 niedrig ist. Die in Beispielen konkret dargelegten Proben haben darin jedoch einen ZnO-Gehalt von 12,0 mol% und einen Fe2O3-Gehalt von 53,5 mol%. Die Erfindung der JP-A Hei-8-169756 unterscheidet sich daher offensichtlich von der vorliegenden Erfindung.
  • In der JP-A Hei-8-148323 sind magnetische Materialien gezeigt, die einen Kernverlust mit geringerem Ausmaß innerhalb eines Bereichs von Mittelfrequenz- bis Hochfrequenzbändern haben. Darin haben die in den Beispielen genannten Vergleichsproben einen ZnO-Gehalt von 8,0 mol%. In der JP-A Hei-8-148323 wird jedoch nichts in Bezug auf die Zugabe von Nb2O5 zu Ferriten angeführt. Daher unterscheidet sich die technische Idee der Erfindung der JP-A Hei-8-148323 grundsätzlich von derjenigen der vorliegenden Erfindung.
  • In der JP-A Hei-8-191011 sind Mn-Zn-Co-Ferrite für Transformatoren gezeigt, in welchen der Kernverlust bei der Betriebstemperatur für die Transformatoren vermindert ist. In der JP-A Hei-8-191011 wird jedoch nichts in Bezug auf die Zugabe von Nb2O5 zu Ferriten angeführt. Daher unterscheidet sich die technische Idee der Erfindung der JP-A Hei-8-191011 grundsätzlich von derjenigen der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail geschrieben.
  • Das Ferritkernmaterial für die Transformatoren gemäß der Erfindung enthält ein Ferrit mit der nachfolgend beschriebenen Zusammensetzung, in dem die Sättigungsmagnetflussdichte Bs (Gleichstrom) bei 60°C nicht kleiner als 480 mT ist, der Kernverlust innerhalb eines zwischen 50 und 70°C fallenden Temperaturbereichs am niedrigsten ist und der kleinste Kernverlust (bei einer Frequenz von 100 kHz) nicht größer als 260 kW/m3 ist.
  • Wesentliche Bestandteile:
    • Eisenoxid in einer Menge von 54 bis 55 mol%, vorzugsweise von 54,5 bis 55 mol% (berechnet als Fe2O3),
    • Zinkoxid in einer Menge von 6 bis 11 mol%, vorzugsweise von 6 bis 9,5 mol%, bevorzugter von 7,0 bis 9,0 mol% (berechnet als ZnO), und
    • Manganoxid als Restmenge (berechnet als MnO).
  • Nebenbestandteile:
    • Siliciumoxid in einer Menge von 80 bis 150 ppm (berechnet als SiO2),
    • Calciumoxid in einer Menge von 600 bis 1000 ppm (berechnet als CaCO3),
    • Nioboxid in einer Menge von 150 bis 400 ppm (berechnet als Nb2O5), und
    • Zirkoniumoxid in einer Menge von 40 bis 300 ppm (berechnet als ZrO2).
  • Die Ferritzusammensetzung ist durch eine hohe Bs bei Temperaturen gekennzeichnet, die in den Betriebstemperaturbereich für Transformatoren von 50 bis 70°C oder dergleichen fallen, sowie durch einen verminderten Kernverlust in dem Temperaturbereich, wie in dem Patent EP-A-0931779 erörtert.
  • Daher werden bei Verwendung des Kernmaterials aus dem Ferrit dieses Typs bei der Herstellung von Transformatorkernen Transformatoren mit hohem Wirkungsgrad verwirklicht. Genauer ausgedrückt können die Ferritkerne in den Transformatoren klein ausgeführt werden und daher können die Transformatoren selbst eine geringe Baugröße haben. Da ferner der Kernverlust in den Transformatoren niedrig ist, kann die von den Transformatoren verbrauchte Leistung und auch die von ihnen erzeugte Wärme reduziert werden.
  • Bs (Gleichstrom) bei 60°C in dem Ferrit mit der vorstehend genannten Zusammensetzung ist nicht kleiner als 480 mT, jedoch bevorzugt nicht kleiner als 500 mT, bevorzugter nicht kleiner als 505 mT. Der oberste Grenzwert von Bs, obgleich nicht näher definiert, kann 600 mT oder dergleichen sein.
  • Der Temperaturbereich, in dem der Kernverlust in dem Ferrit am niedrigsten ist und auch der kleinste Kernverlust in diesem Temperaturbereich werden bei einer zwischen 20 und 500 kHz (vorzugsweise zwischen 75 und 150 kHz) fallenden Frequenz und in einer Erregungsmagnetflussdichte gemessen, die zwischen 125 und 500 mT (vorzugsweise zwischen 200 und 350 mT) fällt. Der Kernverlust in dem Ferrit ist innerhalb eines zwischen 50 und 70°C fallenden Temperaturbereichs am niedrigsten, und der kleinste Kernverlust (bei 100 kHz und in 200 mT) ist höchstens 260 kW/m3, vorzugsweise höchstens 250 kW/m3. Der unterste Grenzwert des Kernverlusts kann, obgleich nicht besonders festgelegt, 100 kW/m3 oder dergleichen betragen.
  • Bs bei den übrigen, bei welchen die Zusammensetzung der wesentlichen Bestandteile außerhalb der vorstehend angeführten Bereiche fällt, könnte nicht hoch sein, und der Kernverlust in diesen ist hoch. Der Grund dafür, dass der Fe2O3-Gehalt des Ferrits so definiert wird, dass er in die vorstehend angeführten Bereiche fällt, ist folgender. Damit die Transformatoren in Netzteilen und dergleichen innerhalb des Betriebstemperaturbereichs für die Transformatoren am effizientesten betrieben werden können, soll der Kernverlust in den Transformatoren innerhalb des Betriebstemperaturbereichs gesenkt werden. Da der Kernverlust in den Transformatoren in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen in diesen variiert, ist es zu diesem Zweck erforderlich, dass der Kernverlust innerhalb des Temperaturbereichs am niedrigsten ist, in dem die Transformatoren betrieben werden, oder in der Umgebung dieses Temperaturbereichs (d. h. des Betriebstemperaturbereichs der Transformatoren), und dass der Kernverlust innerhalb des Betriebstemperaturbereichs niedrig ist. Zu diesem Zweck ist es bekannt, den Fe2O3-Gehalt des Ferrits für Transformatorkerne zu steuern. Wenn der Fe2O3-Gehalt größer als 56 mol% ist, wird der Kernverlust in den Ferritkernen bei Temperaturen unter 50°C für den vorgesehenen Temperaturbereich am niedrigsten, was bedeutet, dass der Kernverlust darin innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs hoch sein wird. In Abhängigkeit von dem Verhältnis von Fe/Mn in dem Ferrit, das einen Fe2O3-Gehalt von 54 bis 55 mol% hat, könnte der Kernverlust in dem Ferrit bei einer beliebigen zwischen 50 und 110°C fallenden Temperatur am niedrigsten sein.
  • Daher ist es gemäß dem vorgesehenen Temperaturbereich für die Transformatoren möglich, jede gewünschte Zusammensetzung des Ferrits zu wählen, in dem der Kernverlust innerhalb des Temperaturbereichs niedriger sein könnte. Wenn jedoch der Fe2O3-Gehalt des Ferrits kleiner als 55 mol% ist, kann der kleinste Kernverlust in dem Ferrit bei niedrigeren Temperaturen auftreten, aber wenn er nicht größer als 56 mol% ist, wird der Kernverlust in dem Ferrit innerhalb des vorgesehenen Temperaturbereichs reduziert. Wenn jedoch andererseits der Fe2O3-Gehalt kleiner als 54 mol% ist, wird der kleinste Kernverlust in dem Ferrit bei höheren Temperaturen auftreten, was dazu führt, dass der Kernverlust in dem vorgesehenen Temperaturbereich hoch ist. Der Grund dafür, dass der ZnO-Gehalt des Ferrits so definiert ist, dass er in den vorstehend genannten Bereich fällt, liegt darin, dass dann, wenn er größer als 11 mol% ist, Bs in dem Ferrit niedriger wird, und wenn er kleiner als 6 mol% ist, der Kernverlust zunimmt.
  • Der Zusammensetzungsbereich der Nebenbestandteile in dem Ferrit ist im wesentlichen zu dem Zweck definiert, um die Reduzierung des Kernverlusts in dem Ferrit zu verwirklichen. Wenn die Mengen der das Ferrit bildenden Nebenbestandteile außerhalb der definierten Bereiche liegen, nimmt der Kernverlust in dem Ferrit zu. 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 ist daher die Menge von SiO2 in dem Ferrit so definiert, dass sie zwischen 80 und 150 ppm fällt, und diejenige von CaCO3 ist so definiert, dass sie zwischen 600 und 1000 ppm fällt. Zu dem Ferrit zusammen mit SiO2 und CaCO3 zugegebenes Nb2O5 und ZrO2 dienen dazu, anormales Kornwachstum in dem Ferrit zu verhindern, während sie zur Bildung einer dünnen und gleichförmigen Phase mit hohem Widerstand in den Korngrenzen des Ferrits beitragen. Auf diese Weise wirken Nb2O5 und ZrO2 so, dass sie den Kernverlust in dem Ferrit weiter senken. 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 könnten nicht zu der Reduzierung des Kernverlusts in dem Ferrit beitragen.
  • Die Verwendung von Ta2O5 an Stelle von Nb2O5 erhöht den Kernverlust in dem Ferrit.
  • Die mittlere Korngröße des Ferrits kann allgemein zwischen 10 und 30 μm oder dergleichen 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 Bs in dem Ferrit um einige Prozent reduzieren.
  • Kobaltoxid kann ebenso zu dem Ferrit zugegeben werden. In der praktischen Verwendung könnte der Kobaltoxidgehalt des Ferrits zwischen 0 und 3000 ppm oder dergleichen fallen, berechnet als Co3O4.
  • Der Effekt der vorliegenden Erfindung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kernverlust in dem Ferrit gering ist und 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 50 und 70°C fallenden Temperatur bei einer zwischen 20 und 500 kHz (vorzugsweise zwischen 75 und 150 kHz) fallenden Frequenz und in einer zwischen 125 und 500 mT (vorzugsweise zwischen 200 und 350 mT) fallenden Erregungsmagnetflussdichte gut betrieben.
  • Zur Herstellung der Ferritkerne für Transformatoren gemäß der Erfindung wird zunächst eine Mischung von vorbestimmten Mengen eines Eisenoxidbestandteils, eines Manganoxidbestandteils und eines Zinkoxidbestandteils hergestellt. Für die andere Ausführungsform der Ferritkerne für Transformatoren gemäß der Erfindung kann Kobaltoxid in diesem Stadium zu der Mischung zugegeben werden.
  • 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 in Luft bei 850 °C 2 Stunden lang calciniert. In Abhängigkeit von den Mengen der wesentlichen Bestandteile. wurden vorbestimmte Mengen der Nebenbestandteile 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.
  • 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.
  • Figure 00170001
  • Figure 00180001
  • Aus den Daten in Tabelle 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 Betriebstemperaturbereich 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 Betriebstemperaturbereich hoch (Proben Nr. 413 bis 419). In der Probe, die Ta2O5 an Stelle von Nb2O5 enthält, ist der Kernverlust hoch (Probe Nr. 420). In Ferritkernen mit einem Fe2O3-Gehalt von weniger als 54 mol% tritt der kleinste Kernverlust innerhalb eines Temperaturbereichs von 100 bis 110°C auf; und der Kernverlust in diesen Kernen innerhalb des Betriebstemperaturbereichs 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 zu betreiben sind.
  • Beispiel 2:
  • Zu der Zusammensetzung von Probe 402 in Beispiel 1 (Tabelle 1) 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 1 hinsichtlich ihrer Eigenschaften bewertet. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 gezeigt.
  • Tabelle 3
    Figure 00200001
  • Die Daten in Tabelle 3 bestätigen das Praxisniveau dieser Probe.
  • Beispiel 3:
  • Unter Verwendung des Ferritkerns von Probe Nr. 401 in Beispiel 1 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 betrieben 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 betrieben 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 (4)

  1. Transformator, dessen Kern aus einem Ferrit hergestellt ist, dass im wesentlichen aus Eisenoxid in einer Menge von 54 bis 55 mol%, berechnet als Fe2O3, Zinkoxid in einer Menge von 6 bis 11 mol%, berechnet als ZnO, und Manganoxid besteht und als Nebenbestandteile Siliciumoxid einer Menge von 80 bis 150 ppm, berechnet als SiO2, Calciumoxid einer Menge von 600 bis 1000 ppm, berechnet als CaCO3, Nioboxid in einer Menge von 150 bis 400 ppm, berechnet als Nb2O5, und Zirkoniumoxid in einer Menge von 40 bis 300 ppm, berechnet als ZrO2, enthält, und bei dem die Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei 60°C nicht kleiner als 480 mT ist, wobei der kleinste Kernverlust in dem Ferrit innerhalb eines Temperaturbereichs ist, der zwischen 50 und 70°C fällt, und der kleinste Kernverlust (bei einer Frequenz von 100 kHz) nicht größer als 260 kW/m3 ist.
  2. Transformator nach Anspruch 1, bei dem die Menge an Zinkoxid im Ferrit zwischen 6 und 9,5 mol%, berechnet als ZnO, fällt.
  3. Transformator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Sättigungsmagnetflussdichte (Gleichstrom) in dem Ferrit bei 60°C nicht kleiner als 500 mT ist.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Transformators nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Betreiben des Transformators bei einer Temperatur, die zwischen 50 und 70°C fällt, mit einer Frequenz, die zwischen 20 und 500 kHz fällt, und einer Erregungsmagnetflussdichte, die zwischen 125 und 500 mT fällt.
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