DE7924989U1

DE7924989U1 - Magnetischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE7924989U1
Application number: DE7924989U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1979-09-04
Filing date: 1979-09-04
Publication date: 1980-11-13
Also published as: IT1124621B; IT7926621A0; FR2464543A1

Description

Magnetischer Energiespeieher

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Energiespeicher für pulsierenden G'leichstrom, mit mindestens einer "Wicklung, wobei im Luftspalt ein Permanentmagnet angeordnet ist, dessen Magnetfluß dem von dem infer Spule fließenden Gleichstrom erzeugten Hagnetfluß entgegengerichtet ist.

Die Speicherung elektrischer Energie in Magnetfelder findet in vielen Bereichen der Elektrotechnik steigende Anwendung. Speicherdrosseln für Schaltnetzteile besitzen kleine Speicherenergien in der Größenordnung von 0,1 bis 5 mJoule und arbeiten bei Frequenzen bis ca. A-O kHz; Zündspulen in Kraftfahrzeugen benötigen bereits größere Speicherenergien von 50 bis 150 mJoule; noch größere Speieherenergien von 1000 bis 10.000 mJoule und mehr besitzen Drosseln in Gleichstromstellern der Leistungselektronik, die beispielsweise zum Steuern von Gleichstrommotoren eingesetzt werden.

Die überwiegend im Luftspalt eines solchen Energiespeicher·., gespeicherte Energie ^Tl.^r = 1/2 . L . I i.st der Induktivität und dem Quadrat des Stromes propci ional. Da die Stromstärke durch den Anwendung fall vorgegeben ist, kann die in einer bestimmten Drosselspule speicherbare Energie nur durch die Induktivität beeinflußt werden. Bei der Entwicklung magnetischer Energiespeicher ist deshalb der Aufbau der Induktivität L das wesentliche Problem. Maßgebend für den Viert der Induktivität L sind die Windungszahl η der Spule, die quadratisch eingeht,sowie die Luftspaltfläche F, und die Luftspaltlänge L_T. Auf diesen Einflußgrößen errechnet

sich die Induktivität L zu L = u

F_L/L_L

Um ein

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optimales Luftspaltverhältnis F_L : L_L zu erhalten, bildet man in der Regel den größten Teil der Drosselspule aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit, das man bis zur Sättigungsgrenze ausnützt.

Wegen der Sättigung des weichmagnetischen Materials kann die Vergrößerung der Induktivität und damit die Steigerung der Speicherfähigkeit nicht durch eine Verkleinerung der Luftspaltlänge,sondern nur durch eine Vergrößerung des Kernquerschnittes erreicht werden.

Die Speicherfähigkeit von magnetischen Energiespeicher für pulsierenden Gleichstrom wird weiterhin dadurch verschlechtert, daß das Magnetmaterial nur einseitig beaufschlagt wird. Aus diesem Grund sieht eine Hystereseschleife bei Impulsmagnetisierung anders aus als bei Wechselmagnetisierung. Der Anfang der Impulsschleife ist der Remanenzpunkt auf der Hystereseschleife, der sich nach Ablauf von einem oder mehreren Impulsen einstellt. Bei periodischer Impulsmagnetisierung wird eine Schleife zwischen dem Remanenzpunkt und dem Sättigungspunkt durchlaufen. Der Abstand zwischen remanenter Induktion und Sättigungsinduktion entspricht dem maximal erreichbaren Induktionshub, der seinerseits ein Maß für die maximal speicherbare Energie ist. Zwar gelingt es, durch Auswahl geeigneter Magnetmaterialien sowie durch einen großen Luftspalt den R.emanenzpunkt abzusenken Lind damit einen vergrößerten Induktionshub zu erzielen. Aber trotz aller dieser Maßnahmen ist der Induktionshub weniger als die Hälfte des Induktionshubs, der sich bei ^echselstrommagnetisierung ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Speicherfähigkeit eines magnetischen Energiespeichers für pulsierenden Gleichstrom wesentlich zu steigern.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Permanentmagnet einen schräg angeordneten Spalt ausfüllt, daß faner der Kern durch den Permanentmagneten bis zur Sättigung vormagnetisiert ist, und daß der Permanentmagnet aus Seltenerde-Kobalt-Legierung z.B. SE-CO,- besteht.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß der Induktionshub g genüber einem Energiespeicher ohne Permanentmagnet mehr als verdoppelt werden kann, wodurch sich auch die Speicher- " fähigkeit für magnetische Energie mehr als verdoppelt, und daß somit entweder bei unveränderten Abmessungen mehr als die doppelte Speicherleistung oder aber bei unveränderter Speicherleistung eine erhebliche Verringerung der Abmessungen erzielt werden kann.

Es ist zwar bereits bekannt, daß bei Impulsübertragern, die in der elektrischen Nachrichtentechnik verwendet werden, als auch bei Drosseln und Zündspulen sich eine Vergrößerung des Impulshubs und damit der Sekundärspannung durch eine Vormagnetisierung des Magnetkerns mit einem Gleichfeld erreichen läßt. Dabei füllt der Permanentmagnet den gesamten Spalt aus. Auf diese V/eise dient die gesamte vom Permanentmagneten erzeugte Durchflutung zur Vormagnetisierung des weichmagnetischen Kerns. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet so gewählt, daß er den weichmagnetischen Kern bis zur Sättigung vormagnetisiert. Auf diese ¥eise ergibt sich der maximal mögliche Induktionshub und damit die maximal mögliche Speicherfähigkeit.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht der aus kornorietiertem Elektroblech hergestellte Kern aus zwei symmetrischen Hälften und weist einen M-Sc-hnit-t auf _$ wobei der Luftspalt schräg im Mittelschenkel angeordnet ist. Während die Schrägstellung des Spaltes auf den von der Spule erzeugten Magnetfluß ohne Einfluß ist, kann mit zunehmender

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Schrägstellung ein immer größerer Permanentmagnet einge- . setzt werden. Auf diese Weise können die Eigenschaften von Permanentmagnet und weichmagnetischem Kern aufeinander abgestimmt werden.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß die Sekundär- und Primärwicklung gemeinsam mit einem 2-Komponenten Epoxiharz vakuumvergossen oder umspritzt ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels für ein dreischenkliges System näher erläutert werden. Sie gilt auch für beliebige andere Magnetsysteme.

Fig. 1 zeigt einen magnetischen Energiespeicher für pulsierenden Gleichstrom in perspektivischer Darstellung.

Fig. 2 zeigt die Hysteresekurve für ein ferromagnetisch.es weichmagnetisches Material.

In Fig. 1 erkennt man einen handelsüblichen dreischenkligen Eisenkern, der aus zwei symmetrischen, aus kornorientiertem Elektroblech hergestellten Hälften 1, 2 zusammengesetzt ist. Die beiden Kernhälften 1, 2 können entlang der Trennlinie getrennt werden. Im Mittelschenkel 9 befindet sich ein schräger Luftspalt 4. In den Spalt 4 ist ein Permanentmagnet 5 eingelegt. Durch die schräge Anordnung von Luftspalt 4 und Permanentmagnet 5 gelingt es, die Abmessungen des Permanentmagneten 5 größer zu wählen als es der Breite des Mittelschenkels 9 entspricht. Auf dem Mittelschenkel 9 befindet sich weiterhin eine aus Kupferdraht gewickelte Spule 6, durch die ein pulsierender Gleichstrom geschickt wird. Der von dem Permanentmagneten 5 erzeugte Mangefcfluß ist durch eine gestrichelte Linie 7 angedeutet, der von dem in der Spule 6 fließenden Gleichstrom erzeugte Magnet-

2FE/P 4 F t C378. 3000/LB)

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fluß ist durch eine gestrichelte Linie 8 dargestellt, hlan erkennt, daß die Richtung des vom Permanentmagneten 5 erzeugten Magnetflusses 7 dem von der Spule 6 erzeugten Magnetfluß entgegengerichtet ist. Durch Wahl eines geeigneten Magneten 5 kann verhindert werden, daß das von der Spule 6 erzeugte Magnetfeld die permanentmagnetischen Eigenschaften des Magneten 5 stört. Es hat sich herausgestellt, daß Permanentmagnete auf der Basis von Seltenen Erden-Kobalt-Oxid auch durch starke Gegenfelder nicht entmagnetisiert werden konnten,

Anhand der Fig. 2 soll die ¥irkungsweise der Erfindung erläuter-c werden.

Man erkennt in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, auf dessen Abszisse die Feldstärke H und auf dessen Ordinate die Induktion B aufgetragen sind, zwei Hysteresekurven I, II. Eine Drosselspule herkömmlicher Bauart befindet sich nach mehreren Gleichstromimpulsen und ohne daß ein Strom durch die Spule fließt an dem Remanenzpunkt R. Sobald ein weiterer Gleichstromimpuls durch die Spule fließt, der einen Feldstärkehub der Größe H₁ erzeugt, steigt die Magnetisierung des Kerns entlang der Hysteresekurve II bis zum Sättigungspunkt S an, v/o sich die Sättigungsfeldstärke +Hg und die Sättigungsinduktion +Bg einstellen. Z >bald der Strom in der Spule wieder verschwindet, durchläuft die Hysteresekurve II den oberen Ast zurück bis zum Remanenzpunkt R. Man erkennt sofort, daß trotz des großen Feldstärkehubs H-, nur ein kleiner Induktionshub B₁ durchlaufen wird.

Eine derartige Drossel hat demnach auch nur eine kleine Speicherfähigkeit für magnetische Energie.

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Durch das Einbringen eines Permanentmagneten in den Luftspalt wird bei geeigneter Konstruktion der Magnetkern beispielsweise bis zu seinem negativen Sättigungspunkt T vormagnetisiert, wo sich die negative Sättigungsfeldstärke -Ho und damit auch die negative Induktion -Bg einstellen. Sobald nun ein Stromimpuls durch die Spule fließt, durchläuft die Hysteresekurve I den unteren Ast vom Punkt T über den Punkt ü zum Punkt V und weiter zum Punkt S. Sobald der Strom in der Spule wieder abklingt, durchläuft die Hysteresekurve I den oberen Ast vom positiven Sättigungspunkt S über den Remanenzpunkt R zum Koerzitivpunkt K und zurück zum negativen Sättigungspunkt T. Man erkennt sofort, daß der Feldstärkehub H₂ gegenüber dem Feldstärkehub H^ verdoppelt ist, daß also der doppelte Strom aufgebracht werden mußte. Man erkennt aber auch weiterhin, daß der sich dabei einstellende Induktionshub B₂ mehr als doppelt so groß ist gegenüber dem Induktionshub B^; im vorliegenden Beispiel wäre er 4,5 mal so groß.

Zwar steigen auch die durch die Ummagnetisierung im Magnetkern erzeugten Verluste an, wie man aus einem Vergleich der von den Hysteresekurven I und II umschlossenen Flächen sieht. Da aber durch das Einsetzen eines Permanentmagneten in den Luftspalt bei vorgegebener Speicherfähigkeit das Volumen des weichmagnetischen Kernmaterials im gleichen Maße gesenkt werden kann, wie der Induktionshub ansteigt, bleiben insgesamt gesehen die Kernverluste praktisch konstant.

Zur Spannungsisolation sind Primär- und Sekundärwicklung gemeinsam mit einem 2-Komponenten-Epoxiharz vakuumvergossen oder umspritzt.

Claims

1.) Magnetischer Energiespeicher für pulsierenden Gleichstrom insbesondere Zündspule, bestehend aus einem weichmagnetischen Kern mit Luftspalt mit mindestens einer Wicklung, wobei im Luftspalt ein Permanentmagnet angeordnet ist, dessen Magnetfluß dem von dem in der Spule fließenden Gleichstrom erzeugten Magnetfluß entgegengerichtet ."st, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (?) einen schräg angeordneten Spalt (4) ausfüllt, daß ferner der Kern (1, 2) durch den Permanentmagneten (5) bis zur Sättigung vormagnetisiert ist, und daß der Permanentmagnet (5) aus SäLtenerde-Kobalt-Le.tierung

z.B.

SE-CO₅ besteht.

2.) Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus kornorientiertem Elektroblech hergestellte Kern aus zwei symmetrischen Hälften (1, 2) besteht und einen M-Schnitt aufweist, wobei der Luftspalt (4) schräg

im Hittelschenkel (9)

angeordnet ist.

3.) Energiespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundär- und Primärwicklung gemeinsam mit einem 2-Kcmponenten-Epoxiharz vakuumvergossen oder umspritzt sind.

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