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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.
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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.).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail geschrieben.
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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.
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Wesentliche Bestandteile:
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- 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).
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Nebenbestandteile:
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- 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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Verwendung von Ta2O5 an
Stelle von Nb2O5 erhöht den Kernverlust
in dem Ferrit.
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Die
mittlere Korngröße des Ferrits
kann allgemein zwischen 10 und 30 μm oder dergleichen fallen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Windungszahl für
den Kern kann in Abhängigkeit
von dem Zweck und der Verwendung des herzustellenden Transformators
variiert werden.
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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.
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Der
Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die folgenden Beispiele
im Detail beschrieben, die jedoch den Schutzumfang der Erfindung
nicht einschränken
sollen.
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Beispiel 1:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 2:
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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.
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Die
Probe wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hinsichtlich
ihrer Eigenschaften bewertet. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle
3 gezeigt.
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Die
Daten in Tabelle 3 bestätigen
das Praxisniveau dieser Probe.
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Beispiel 3:
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Unter
Verwendung des Ferritkerns von Probe Nr. 401 in Beispiel 1 wurde
ein Transformator A hergestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.