EP0005836A2 - Induktives Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0005836A2
EP0005836A2 EP79101673A EP79101673A EP0005836A2 EP 0005836 A2 EP0005836 A2 EP 0005836A2 EP 79101673 A EP79101673 A EP 79101673A EP 79101673 A EP79101673 A EP 79101673A EP 0005836 A2 EP0005836 A2 EP 0005836A2
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EP
European Patent Office
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winding
electrically conductive
soft magnetic
inductive component
component according
Prior art date
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EP79101673A
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EP0005836B1 (de
EP0005836A3 (en
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Richard Dr. Boll
Hans-Jürgen Dipl.-Phys. Köster
Hans-Reiner Dr. Hilzinger
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Publication of EP0005836A3 publication Critical patent/EP0005836A3/xx
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys
    • C22C45/04—Amorphous alloys with nickel or cobalt as the major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/25—Magnetic cores made from strips or ribbons

Definitions

  • the invention relates to an inductive component, on the electrically conductive winding tape of soft magnetic material is wound.
  • inductive components have a soft magnetic core, which can be wound, for example, from tape or layered from sheet metal, and an electrical winding applied to this core.
  • the winding is usually wound onto the core in the form of a toroid.
  • Cutting tape cores or cores made of layered and optionally glued laminated cores can be inserted into the finished winding.
  • inductive components for example transformers, chokes and converters
  • the band-shaped core material is made of soft. magnetic material is wound on the prefabricated electrical winding.
  • the band-shaped core material is first pre-wound to a diameter similar to that which will later lie on the winding before being applied to the winding, then heat-treated to remove the mechanical stresses and finally, if necessary after being rewound, wound up on the winding .
  • the finished winding core which has the shape of a ring band core, then encloses a part of the electrical winding corresponding to its bandwidth (DE-PS 711 770, 722 211, 727 073, 729 918, 737 787 and 915 588).
  • the curvature change of the tapes is minimized during winding, it cannot be avoided that the magnetic properties deteriorate during winding after the heat treatment. The deterioration can still be kept within reasonable limits in the case of silicon-iron alloys, but a significant reduction in quality must be accepted in the case of the magnetically high-quality nickel-iron alloys (R. Bauer, "Der Meßwandler”, Berlin / Göttingen / Heidelberg (Springer- Verlag), 1953, page 55, paragraph 3).
  • the object of the invention is to further improve an inductive component on whose electrically conductive winding tape made of soft magnetic material is wound.
  • the band made of soft magnetic material consists of an amorphous alloy.
  • amorphous metal alloys can be produced by cooling an appropriate melt so rapidly that solidification occurs without crystallization.
  • the alloys can be obtained in the form of thin strips, the thickness of which can be, for example, a few hundredths of a millimeter and the width of which can be several millimeters.
  • the amorphous alloys can be distinguished from the crystalline alloys by means of X-ray diffraction measurements. In contrast to crystalline materials, which show characteristic sharp diffraction lines, the intensity in the X-ray diffraction pattern with amorphous metal alloys changes only slowly with the diffraction angle, similarly as is the case with liquids or ordinary glass.
  • the amorphous alloys can be completely amorphous or comprise a two-phase mixture of the amorphous and the crystalline state.
  • an "amorphous metal alloy” means an alloy that is at least 50%, preferably at least 80%, amorphous.
  • every amorphous metal alloy has a characteristic temperature, the so-called crystallization temperature. If the amorphous alloy is heated to or above this temperature, it changes to the crystalline state. In the case of heat treatments below the crystallization temperature, however, the amorphous state is retained.
  • the previously known soft magnetic amorphous metal alloys have the composition M y X 1-y , where M is at least one of the metals iron, cobalt and nickel, and X is at least one of the so-called glass-forming elements boron, carbon, silicon and phosphorus and y is between about 0, 60 and 0.95.
  • the amorphous alloys can also contain other metals, in particular titanium, zircon, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, palladium, platinum, copper, silver or gold, while in addition to the glass-forming elements X or, if appropriate, the elements aluminum, gallium, indium, germanium, tin, arsenic, antimony, bismuth or beryllium may also be present instead (cf. for example DE-OS 25 46 676, 25 53 003, 26 05 615, 26 28 362 and 27 08 151).
  • the component can therefore be subjected to a heat treatment between 150 and 400 ° C after the amorphous soft magnetic tape has been wound onto the prefabricated electrically conductive winding provided with insulation, provided that the other materials used for the component are also stable at these temperatures are.
  • the electrically conductive winding in a ring shape and to wind the band made of the amorphous alloy in a toroidal shape such that it largely encloses the electrically conductive winding.
  • Amorphous tapes with a width that is not too large, for example with a width of up to 5 mm, such as can easily be produced directly from the melt, are particularly suitable for this purpose. These tapes can then be applied in one or more layers in a similar manner to the prefabricated electrically conductive winding, such as, for example in conventional inductive components, the electrically conductive winding being wound onto a prefabricated toroidal core.
  • the design also has the advantage that the toroidally wound soft magnetic amorphous tape acts like a shell core at the same time as a magnetic shield.
  • the electrically conductive winding can advantageously be made from aluminum, which results in considerable weight savings compared to copper.
  • the individual turns can be easily insulated from one another in a temperature-resistant manner by an anodized layer on their surface.
  • foils for example made of plastics with appropriate temperature resistance, for insulation.
  • copper can of course also be used for the electrically conductive winding, for example insulated with temperature-resistant lacquer or glass fiber wound.
  • the electrically conductive winding can be produced particularly advantageously from strip material, preferably aluminum strip, which can then be wound in a manner similar to that of ring core in a conventional component. With such a tape winding, a particularly high fill factor and thus a particularly compact design can be achieved.
  • An approximately rectangular cross section is preferably chosen for the electrically conductive winding, with an aspect ratio of the side parallel to the winding axis to the side perpendicular to the winding axis of approximately 2.5: 1 to 1: 1.
  • the winding can also consist of several electrically separate partial windings, for example the primary and secondary winding of a transformer or transformer.
  • the electrically conductive annular winding provided with a toroidal winding made of soft magnetic tape. It is also expedient to make the winding package made of soft magnetic tape so thick that half the diameter of the winding hole of the electrically conductive winding is filled with soft magnetic material.
  • the fill factors of the two windings should be chosen to be as large as possible if the smallest possible construction volume is to be achieved with a predetermined maximum output of the component. The maximum performance, based on the volume unit, increases with increasing fill factors. Fillings of up to 0.9 can be achieved with a winding made of aluminum tape, and fill factors up to 0.3 with a soft magnetic toroidal winding.
  • the ratio of the outside diameter to the inside diameter of the electrically conductive winding between about 1.3 and 3.5, preferably between 1.5 and 2. 5 to choose.
  • expensive soft magnetic material can also be saved at the expense of cheaper conductor material.
  • the amount of soft magnetic material required per power unit decreases and the corresponding amount of conductor material increases in the components according to the application with a growing ratio between the outside and inside diameter of the electrically conductive winding.
  • hefffled union components for example in the case of a toroidal, electrically conductive winding toroid, the reverse is the case.
  • a transformer is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2, the ring-shaped one of which is electrically divided into two partial windings, namely a primary and a secondary winding conductive winding has a square cross section and is surrounded by a winding of soft magnetic, amorphous tape toroidal.
  • the transformer is designed for a primary voltage (square wave voltage) of 300 V, a secondary voltage of 48 V and a transferable power of 670 W at a frequency of 20 kHz.
  • the ambient temperature should be 60 ° C, the permitted overtemperature 60 K.
  • the magnetic loss of the soft magnetic winding is 28 W / kg.
  • the transformer was constructed from a primary winding 1 with 122 turns of 0.08 mm thick and 18 mm wide aluminum tape and a secondary winding 2 with 20 turns from 0.45 mm thick and 18 mm wide aluminum tape. A 19 mm wide, 0.2 mm thick was used as insulation between the turns
  • Polyimide film inserted which is not shown in Figure 2 for reasons of clarity.
  • the ratio of the outside diameter d 2 to the inside diameter d 1 of the winding is 2.4.
  • the fully wound transformer was annealed in air at a temperature between about 300 and 350 ° C. for about an hour and then with a cooling rate of about 100 to 250 ° C per hour controlled to a temperature below 200 ° C and allowed to cool uncontrollably.
  • a thin oxide layer is also formed on the band made of the amorphous alloy, which is sufficient to isolate the individual turns from one another in order to avoid eddy currents.
  • a plastic film can be applied to the soft magnetic winding as additional protection.
  • the aluminum has a weight of 138 g and the band made of the amorphous alloy has a weight of 69 g.
  • the weight of the magnetic material is therefore much lower than that of the conductor material.
  • the ratio of mass or weight m to power P in g / W is plotted on the ordinate, and the ratio of outer diameter d 2 to inner diameter d 1 is plotted on the abscissa.
  • the solid curves 11, 12 and 13 apply to components according to the application. It is assumed that the electrically conductive winding is made of aluminum and has a square cross section and a fill factor of 0.85 and that the soft magnetic winding is made of amorphous material in the form of a toroid, a fill has a factor of 0.2 and fills half of the diameter d of the winding hole of the electrically conductive winding. For the magnetic material, 28 W / kg with an induction of 0.2 T and a frequency of 20 kHz are assumed for the iron losses. The dimensions refer to an ambient temperature of 60 ° C and an excess temperature of 60 K.
  • Curve 11 shows the mass of the soft magnetic material, curve 12 the mass of the electrically conductive material and curve 13 the total mass, in each case based on the power.
  • the mass of the required magnetic material is smaller than the mass of the required conductor material, in each case based on the power.
  • the interrupted curves 14, 15 and 16 are comparison curves which relate to conventional components. It is assumed that the soft magnetic winding is a toroidal core, which corresponds to the geometry and fill factor of the electrically conductive winding of the components according to the application, and that the electrically conductive winding consists of copper wire and corresponds to the geometry and fill factor of the soft magnetic winding of the components according to the application.
  • Curve 14 shows the mass of the soft magnetic material, curve 15 the mass of the conductor material, curve 16 the total mass, in each case based on the power, as a function of the ratio of the outer diameter d 2 to the inner diameter d 1 of the ring core.
  • curves 13 and 16 mentioned are shown again in FIG. FIG. 4 also contains two further curves, of which curve 17 represents the volume V of the application and curve 18 represents the volume V of the conventional components, each based on the power P as a function of the diameter ratio d2 / d1 .
  • the required properties of the components are the same as in FIG. 3.
  • Curves 17 and 18 show that for a given diameter ratio, the volume per output in the components according to the application is somewhat larger than in the conventional components. In view of the considerable savings in soft magnetic material shown in FIG. 3 at the expense of conductor material in the components according to the application, however, this is not very important. Furthermore, it can be seen from FIG.
  • Diameter ratios between approximately 1.5 and 2.5 are particularly advantageous, with the already mentioned advantage being added with increasing diameter ratio that soft magnetic material can be saved.
  • the electrically conductive windings have the particularly favorable square cross section.
  • the invention is not restricted to this; rather, the electrically conductive windings can also have other cross-sectional shapes.
  • the cross section can also be rectangular, but the ratio between the side parallel to the winding axis and the side perpendicular to the winding axis should, as already mentioned, preferably be between 2.5: 1 and 1: 1.
  • the electrically conductive winding can consist of parts of different heights.
  • An exemplary embodiment of this is shown schematically in FIG.
  • the electrically conductive winding consists of a primary winding 21 and two secondary windings 22 and 23, for example made of aluminum strip, the height of which decreases from the outside inwards.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement. auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band (4) aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist. Erfindungsgemäß besteht das Band (4) aus einer amorphen Legierung. Geeignet sind sowohl amorphe Legierungen mit einer Magnetostriktion nahe bei Null als auch Legierungen mit größerer Magnetostriktion. Bei Verwendung der letzteren kann das Bauelement nach dem Aufwickeln des amorphen weichmagnetischen Bandes auf die zunächst hergestellte und isolierte elektrisch leitende Wicklung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 150 und 400°C zur mechanischen Entspannung des Bandes unterzogen werden.
Erfindungsgemäß ausgestaltete Bauelemente können beispielweise als Transformatoren, Drosseln oder Wandler Anwendung finden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist.
  • Übliche induktive Bauelemente haben einen weichmagnetischen Kern, der beispielsweise aus Band gewickelt oder aus Blechen geschichtet sein kann, und eine auf diesen Kern aufgebrachte elektrische Wicklung. Bei Ringbandkernen wird die Wicklung meist in Form eines Toroids auf den Kern aufgewickelt. Schnittbandkerne oder Kerne aus geschichteten und gegebenenfalls geklebten Blechpaketen können in die fertige Wicklung eingeschoben werden.
  • Es sind jedoch auch bereits induktive Bauelemente, beispielsweise Transformatoren, Drosseln und Wandler, bekannt, bei denen der bandförmige Kernwerkstoff aus weich. magnetischem Material auf die vorgefertigte elektrische Wicklung aufgewickelt ist. Dabei wird in der Regel der bandförmige Kernwerkstoff zunächst vor dem Aufbringen auf die Wicklung auf einen ähnlichen Durchmesser vorgewickelt, wie er später auf die Wicklung zu liegen kommt, anschließend zur Beseitigung der mechanischen Spannungen wärmebehandelt und schließlich, gegebenenfalls nach nochmaligem Umwickeln, auf die Wicklung aufgewickelt.
  • Der fertige Wickelkern, der die Form eines Ringbandkerns besitzt, umschließt dann jeweils einen seiner Bandbreite entsprechenden Teil der elektrischen Wicklung (DE-PS 711 770, 722 211, 727 073, 729 918, 737 787 und 915 588). Obwohl beim Wickeln die Krümmungsänderung der Bänder auf ein Mindestmaß beschränkt wird, ist nicht zu vermeiden, daß sich die magnetischen Eigenschaften beim Wickeln nach der Wärmebehandlung verschlechtern. Die Verschlechterung kann bei Silizium-Eisen-Legierungen noch in tragbaren Grenzen gehalten werden, bei den magnetisch hochwertigen Nickel-EisenLegierungen muß jedoch eine bedeutende Qualitätsminderung in Kauf genommen werden (R. Bauer, "Der Meßwandler", Berlin/Göttingen/ Heidelberg (Springer-Verlag), 1953, Seite 55, Absatz 3).
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein induktives Bauelement, auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist, weiter zu verbessern.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Band aus weichmagnetischem Material aus einer amorphen Legierung besteht.
  • Amorphe Metallegierungen lassen sich bekanntlich dadurch herstellen, daß man eine entsprechende Schmelze so rasch abkühlt, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Die Legierungen können dabei gleich in Form dünner Bänder gewonnen werden, deren Dicke beispielsweise einige hundertstel Millimeter und deren Breite mehrere Millimeter betragen kann. Von den kristallinen Legierungen lassen sich die amorphen Legierungen durch Röntgenbeugungsmessungen unterscheiden. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, die charakteristische scharfe Beugungslinien zeigen, verändert sich bei amorphen Metallegierungen die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel, ähnlich wie dies auch bei Flüssigkeiten oder gewöhnlichem Glas der Fall ist.
  • Je nach den Herstellungsbedingungen können die amorphen Legierungen vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des kristallinen Zustandes umfassen. Im allgemeinen versteht man unter einer "amorphen Metallegierung" eine Legierung, die zu wenigstens 50 %, vorzugsweise zu wenigstens 80 %, amorph ist.
  • Für. jede amorphe Metallegierung gibt es eine charakteristische Temperatur, die sogenannte Kristallisationstemperatur. Erhitzt man die amorphe Legierung auf oder über diese Temperatur, so geht sie in den kristallinen Zustand über. Bei Wärmebehandlungen unterhalb der Eristallisationstemperatur bleibt dagegen der amorphe Zustand erhalten.
  • Die bislang bekannten weichmagnetischen amorphen Metallegierungen haben die Zusammensetzung MyX1-y, wobei M wenigstens eines der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel, und X wenigstens eines der sogenannten glasbildenden Elemente Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor bedeutet und y zwischen etwa 0,60 und 0,95 liegt. Zusätzlich zu den Metallen M können die amorphen Legierungen auch noch weitere Metalle, insbesondere Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Palladium, Platin, Kupfer, Silber oder Gold enthalten, während zusätzlich zu den-glasbildenden Elementen X oder gegebenenfalls auch an Stelle von diesen die Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Germanium, Zinn, Arsen, Antimon, Wismut oder Beryllium vorhanden sein können (vgl. zum Beispiel DE-OS 25 46 676, 25 53 003, 26 05 615, 26 28 362 und 27 08 151).
  • Allgemein gilt bei weichmagnetischen amorphen Legierungen, daß sie bezüglich ihrer magnetischen Eigenschaften gegen Verformungen, wie sie etwa beim Aufwickeln des Bandes auf eine elektrisch leitende Wicklung auftreten, weniger empfindlich sind als Bänder aus kristallinen weichmagnetischen Legierungen.
  • Speziell eine Reihe von kobalthaltigen amorphen Legierungen, wie sie etwa aus der DE-OS 25 46 676 und der DE-OS 27 08 151 bekannt sind, haben eine Magnetostriktion, die nahe bei Null liegt. Diese Legierungen können vorzugsweise die Zusammensetzung CoaFebNicSid BePfCgAlh haben, wobei
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    sowie
    • a + b + c + d + e + f + g + h = 1,
    • 0,6 ≤ a + b + c
    • 0,1 ≤ d + e + f + g + h

    ist. Die magnetischen Eigenschaften dieser Legierungen sind gegen Verformungen sehr unempfindlich. Bänder aus solchen Legierungen können daher nach vorheriger Wärmebehandlung oder gegebenenfalls auch völlig ohne Wärmebehandlung auf die elektrisch leitende Wicklung aufgewickelt werden.
  • Andere weichmagnetische amorphe Legierungen, insbesondere solche der Zusammensetzung FeaRibMecPdBeSifCgAlh, wobei Me eines oder mehrere der Metalle Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Vanadin, Kupfer bedeutet und
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
    Figure imgb0011
    Figure imgb0012
    Figure imgb0013
    Figure imgb0014
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
    sowie
    • a + b + c + d + e + f + g + h = 1,
    • 0,6 ≤ a + b + c
    • 0,1 ≤ d + e + f + g + h

    ist, haben zwar keine verschwindende Magnetostriktion.
  • Sie sprechen jedoch bereits auf eine Entspannungsglühung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von etwa 15Q bis 400°C an. Die Ummagnetisierungsverluste bei hohen Frequenzen, beispielsweise bei 20 kHz,sind bei diesen Legierungen nach der Wärmebehandlung verhältnismäßig niedrig. Bei Verwendung solcher Legierungen kann daher das Bauelement nach dem Aufwickeln des amorphen weichmagnetischen Bandes auf die vorgefertigte elektrisch leitende, mit einer Isolation versehene Wicklung einer Wärmebehandlung zwischen 150 und 400°C unterzogen werden, sofern auch die übrigen für das Bauelement verwendeten Werkstoffe bei diesen Temperaturen beständig sind.
  • Besonders günstig ist es, die elektrisch leitende Wicklung ringförmig auszubilden und das Band aus der amorphen Legierung derart toroidförmig aufzuwickeln, daß es die elektrisch leitende Wicklung weitgehend umschließt. Besonders eignen sich hierzu amorphe Bänder mit nicht zu großer Breite, beispielweise mit einer Breite von bis zu 5 mm, wie sie leicht unmittelbar aus der Schmelze hergestellt werden können. Diese Bänder können dann in einer oder mehreren Lagen ähnlich auf die vorgefertigte elektrisch leitende Wicklung aufgebracht werden, wie beispielsweise bei herkömmlichen induktiven Bauelementen die elektrisch leitende Wicklung auf einen vorgefertigten Ringbandkern aufgewickelt wird. Die Bauart hat ferner den Vorteil, daß das toroidförmig aufgewickelte weichmagnetische amorphe Band ähnlich wie ein Schalenkern gleichzeitig als magnetische Schirmung wirkt.
  • Die elektrisch leitende Wicklung kann vorteilhaft aus Aluminium hergestellt werden, wodurch sich gegenüber Kupfer eine erhebliche Gewichtsersparnis ergibt. Außerdem lassen sich dabei die einzelnen Windungen durch eine Eloxalschicht an ihrer Oberfläche in einfacher Weise temperaturbeständig gegeneinander isolieren. Insbesondere bei größeren Bauelementen kann man natürlich auch Folien, beispielsweise aus Kunststoffen mit entsprechender.Temperaturbeständigkeit, zur Isolation verwenden.
  • Falls es auf eine Gewichtsersparnis nicht entscheidend ankommt, kann man natürlich für die elektrisch leitende Wicklung auch Kupfer verwenden, beispielsweise mit temperaturbeständigem Lack oder einer Glasfaserumspinnung isoliert.
  • Besonders günstig kann man die elektrisch leitende Wicklung aus Bandmaterial, vorzugsweise Aluminiumband, herstellen, das dann ähnlich gewickelt werden kann wie Ringbandkerne bei einem üblichen Bauelement. Bei einer solchen Bandwicklung läßt sich ein besonders hoher Füllfaktor und damit eine besonders kompakte Bauart erzielen.
  • Vorzugsweise wählt man für die elektrisch leitende Wicklung einen etwa rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis der zur Wickelachse parallelen zu der zur Wickelachse senkrechten Seite von etwa 2,5:1 bis 1:1.
  • Die Wicklung kann auch aus mehreren elektrisch voneinander getrennten Teilwicklungen bestehen, beispielsweise der Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators oder Übertragers.
  • Um eine hohe Leistung bei möglichst kleinem Materialeinsatz zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, für die mit einer toroidförmigen Wicklung aus weichmagnetischem Band versehene elektrisch leitende ringförmige Wicklung einen etwa quadratischen Querschnitt zu wählen. Ferner ist es zweckmäßig, das Wickelpaket aus weichmagnetischem Band so dick zu machen, daß der halbe Durchmesser des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung von weichmagnetischem Material ausgefüllt ist. Ferner sollten die Füllfaktoren der beiden Wicklungen möglichst groß gewählt werden, wenn bei vorgegebener Maximalleistung des Bauelementes ein möglichst kleines Bauvolumen erzielt werden soll. Die maximale Leistung, bezogen auf die Volumeneinheit, nimmt nämlich mit wachsenden Füllfaktoren zu. Bei einer Wicklung aus Aluminiumband lassen sich etwa Füllfaktoren bis zu 0,9 erreichen, bei der weichmagnetischen toroidförmigen Wicklung etwa Füllfaktoren bis zu 0,3. Um gleichzeitig auch eine möglichst hohe maximale Leistung, bezogen auf das Gewicht, zu erreichen, ist es ferner vorteilhaft, das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung zwischen etwa 1,3 und 3,5, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,5, zu wählen. Im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen läßt sich dabei auch teures weichmagnetisches Material auf Kosten von billigerem Leitermaterial einsparen. Unter den vorstehend angegebenen Voraussetzungen für die geometrische Gestaltung des Bauelementes nimmt nämlich bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen mit wachsendem Verhältnis zwischen Außen- und Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung die pro Leistungseinheit erforderliche Menge an weichmagnetischem Material ab und die entsprechende Menge an Leitermaterial zu. Bei hefkömmlichen Bauelementen, beispielsweise bei einem mit einer toroidförmigen elektrisch leitenden Wicklung versehenen Ringbandkern, ist dies umgekehrt.
  • Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden:
    • Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes in Draufsicht.
    • Figur 2 zeigt das Bauelement nach Figur 1 schematisch im Querschnitt.
    • Figur 3 zeigt das Verhältnis von Masse zu Leistung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmessers zum Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung für ein Bauelement gemäß Figuren 1 und 2 sowie Vergleichskurven für ein herkömmliches Bauelement.
    • Figur 4 zeigt das Verhältnis von Masse zu Leistung und das Verhältnis von Volumen zu Leistung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmessers zuminnendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung für ein Bauelement gemäß Figuren 1 und 2 sowie Vergleichskurven für ein herkömmliches Bauelement.
    • Figur 5 zeigt schematisch im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes.
  • Im folgenden Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 1 und 2 ein Transformator näher erläutert, dessen ringförmige, in zwei Teilwicklungen, nämlich eine Primär-und eine Sekundärwicklung, unterteilte elektrisch leitende Wicklung einen quadratischen Querschnitt hat und von einer Wicklung aus weichmagnetischem, amorphem Band toroidförmig umgeben ist.
  • Der Transformator ist ausgelegt für eine Primärspannung (Rechteckspannung) von 300 V, eine Sekundärspannung von 48 V und eine übertragbare Leistung von 670 W bei einer Frequenz von 20 kHz. Die Umgebungstemperatur soll 60°C betragen, die zugelassene Übertemperatur 60 K. Die Ummagnetisierungsverluste der weichmagnetischen Wicklung betragen 28 W/kg.
  • Ausgehend von den Arbeitsbedingungen wurden für den Transformator folgende geometrischen Daten festgelegt:
    Figure imgb0017
    Im einzelnen wurde der Transformator aufgebaut aus einer Primärwicklung 1 mit 122 Windungen aus 0,08 mm dickem und.18 mm breitem Aluminiumband und einer Sekundärwicklung 2 mit 20 Windungen aus 0,45 mm dickem und 18 mm'breitem Aluminiumband. Als Isolation wurde zwischen die Windungen eine 19 mm breite, 0,2 mm dicke
  • Polyimidfolie eingelegt, die in Figur 2 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht eigens dargestellt ist. Der Füllfaktor, der aus den beiden Teilwicklungen 1 und 2 bestehenden Wicklung, die einen quadratischen Querschnitt besitzt, ist etwa 0,85. Das Verhältnis von Außendurchmesser d2 zu Innendurchmesser d1 der Wicklung ist 2,4.
  • Als DeckisQlation der elektrisch leitenden Wicklung 1, 2 dient wiederum eine Polyimidfolie 3, die beispielsweise durch Tiefziehen auf die Wicklung aufgebracht werden kann.
  • Um die so isolierte Wicklung 1, 2 wurden dann 900 Windungen 4 aus 2 mm breitem und 0,05 mm dickem Band aus der weichmagnetischen amorphen Legierung Fe ,40Hi0,40 P0,14B0,06 derart herumgewickelt, daß sie die elektrisch leitende Wicklung 1, 2 toroidförmig umschließen. Lediglich die Stelle, an der die elektrischen Anschlüsse 5 der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 2 herausgeführt sind, ist nicht von der weichmagnetischen Wicklung überdeckt. Zur Sicherung der weichmagnetischen Wicklung kann das freie Ende des amorphen Bandes einfach unter eine benachbarte Windung gesteckt werden. Die weichmagnetische Wicklung, deren Füllfaktor etwa 0,2 beträgt, füllt etwa den halben Durchmesser d1 des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung aus.
  • Zur mechanischen Entspannung und zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften, insbesondere zur Herabsetzung der Ummagnetisierungsverluste, der weichmagnetischen Wicklung wurde der fertig gewickelte Transformator etwa eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen etwa 300 und 350°C an Luft geglüht und anschließend mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 100 bis 250°C pro Stunde kontrolliert bis auf eine Temperatur unterhalb 200°C und weiter unkontrolliert abkühlen gelassen. Bei diesem Glühvorgang entsteht außerdem auf dem Band aus der amorphen Legierung eine dünne Oxidschicht, die zur Isolation der einzelnen Windungen gegeneinander zum Zwecke der Vermeidung von Wirbelströmen ausreicht. Nach dem Glühen kann als zusätzlicher Schutz beispielsweise auf die weichmagnetische Wicklung noch eine Kunststofffolie aufgebracht werden.
  • Bei dem beschriebenen Transformator hat das Aluminium ein Gewicht von 138 g und das Band aus der amorphen Legierung ein Gewicht von 69 g. Das Gewicht des Magnetwerkstoffes ist demnach viel niedriger als das des Leiterwerkstoffes.
  • Daß sich bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen mit wachsendem Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung teures weichmagnetisches Material auf Kosten von billigerem Leitermaterial einsparen läßt, ist aus Figur 3 zu ersehen.
  • In dieser Figur ist an der Ordinate das Verhältnis von Masse bzw. Gewicht m zur Leistung P in g/W, an der Abszisse das Verhältnis von Außendurchmesser d2 zu Innendurchmesser d1 aufgetragen. Die durchgezogenen Kurven 11, 12 und 13 gelten für anmeldungsgemäße Bauelemente. Dabei ist vorausgesetzt, daß die elektrisch leitende Wicklung aus Aluminium besteht und einen quadratischen Querschnitt und einen Füllfaktor von 0,85 besitzt und daß die weichmagnetische Wicklung aus amorphem Material toroidförmig ausgebildet ist, einen Füllfaktor von 0,2 besitzt und die Hälfte des Durchmessers d des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung ausfüllt. Für den Magnetwerkstoff werden für die Eisenverluste 28 W/kg bei einer Induktion von 0,2 T und eine Frequenz von 20 kHz angenommen. Die Dimensionierungen beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 60°C und eine Übertemperatur von 60 K.
  • Kurve 11 zeigt die Masse des weichmagnetischen Materials, Kurve 12 die Masse des elektrisch leitenden Materials und Kurve 13 die Gesamtmasse, jeweils bezogen auf die Leistung. Wie man bei einem Vergleich der Kurven 11 und 12 leicht sieht, ist bei Durchmesserverhältnissen d2/di oberhalb etwa 1,9 die Masse des erforderlichen Magnetmaterials kleiner als die Masse des erforderlichen Leitermaterials, jeweils bezogen auf die Leistung.
  • Die unterbrochen gezeichneten Kurven 14, 15 und 16 sind Vergleichskurven, die sich auf herkömmliche Bauelemente beziehen. Dabei ist vorausgesetzt, daß die weichmagnetische Wicklung ein Ringbandkern ist, der bezüglich Geometrie und Füllfaktor der elektrisch leitenden Wicklung der anmeldungsgemäBen Bauelemente entspricht, und daß die elektrisch leitende Wicklung aus Kupferdraht besteht und hinsichtlich Geometrie und Füllfaktor der weichmagnetischen Wicklung der anmeldungsgemäßen Bauelemente entspricht. Kurve 14 zeigt die Masse des weichmagnetischen Materials, Kurve 15 die Masse des Leitermaterials, Kurve 16 die Gesamtmasse, jeweils bezogen auf die Leistung, in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmesser d2 zum Innendurchmesser d1 des Ringbandkernes. Man sieht aus einem Vergleich der Kurven 14 und 15, daß bei den herkömmlichen Bauelementen die Masse des Magnetmaterials bezogen auf die Leistung zu- die Masse des Leitermaterials bezogen auf die Leistung dagegen abnimmt. Außerdem zeigt ein Vergleich der Kurven 13 und 16, daß bei gegebenem Durchmesserverhältnis die Masse pro Leistung bei den herkömmlichen Bauelementen erheblich größer ist als bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen.
  • In Figur 4 sind die erwähnten Kurven 13 und 16 nochmals eingezeichnet. Außerdem enthält die Figur 4 noch zwei weitere Kurven, von denen die Kurve 17 das Volumen V der anmeldungsgemäBen und die Kurve 18 das Volumen V der herkömmlichen Bauelemente jeweils bezogen auf die Leistung P in Abhängigkeit.vom Durchmesserverhältnis d2/d1 darstellt. Die vorausgesetzten Eigenschaften der Bauelemente sind die gleichen wie bei Figur 3. Die Kurven 17 und 18 zeigen, daß bei gegebenem Durchmesserverhältnis das Volumen pro Leistung bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen etwas größer ist als bei den herkömmlichen Bauelementen. Im Hinblick auf die erheblichen aus Figur 3 ersichtlichen Einsparungsmöglichkeiten an weichmagnetischem Material auf Kosten von Leitermaterial bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen fällt dies jedoch nicht allzusehr ins Gewicht. Ferner ersieht man aus Fig. 4, daß bei Durchmesserverhältnissen zwischen etwa 1,3 und über 3 hinaus bis etwa 3,5 bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen sowohl die Masse als auch das Volumen bezogen auf die Leistung besonders niedrig sind. Günstig sind dabei insbesondere Durchmesserverhältnisse zwischen etwa 1,5 und 2,5, wobei mit wachsendem Durchmesserverhältnis der bereits erwähnte Vorteil hinzukommt, daß weichmagnetisches Material eingespart werden kann.
  • Bislang wurden in den Ausführungsbeispielen nur Bauelemente beschrieben, bei denen die elektrisch leitenden Wicklungen-den besonders günstigen quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt, vielmehr können die elektrisch leitenden Wicklungen auch andere Querschnittsformen besitzen. So kann der Querschnitt beispielsweise auch rechteckförmig sein, wobei jedoch das Verhältnis zwischen der zur Wickelachse parallelen und der zur Wickelachse senkrechten Seite, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zwischen 2,5 : 1 und 1:1 liegen sollte.
  • Ferner kann insbesondere bei Bauelementen mit mehreren elektrisch leitenden Teilwicklungen die elektrisch leitende Wicklung aus Teilen unterschiedlicher Höhe bestehen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Die elektrisch leitende Wicklung besteht aus einer Primärwicklung 21 und zwei Sekundärwicklungen 22 und 23, beispielsweise aus Aluminiumband, deren Höhe von außen nach innen abnimmt. Durch die Verringerung der Höhe der einzelnen Teilwicklungen nach innen ist im Wickelloch mehr Platz für die Wicklung 24 aus einem Band aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung, so daß die Umrisslinien des Querschnitts der weichmagnetischen Wicklung 24 sich stärker einem gerundeten Rechteck annähern als bei dem Bauelement gemäß Figur 3.

Claims (14)

1. Induktives Bauelement, auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Band (4) aus einer amorphen Legierung besteht.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das weichmagnetische Band aus einer Legierung der Zusammensetzung CoaFebNicSidBePfCgAlh besteht, wobei
Figure imgb0018
Figure imgb0019
Figure imgb0020
Figure imgb0021
Figure imgb0022
Figure imgb0023
Figure imgb0024
Figure imgb0025
sowie
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
0,6 ≤ a + b + c
0,1 ≤ d + e + f + g + h
ist.
3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das weichmagnetische Band (4) aus einer Legierung der Zusammensetzung FeaNib MecPdBeSifCgAlh besteht, wobei Me eines oder mehrere der Metalle Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Vanadin, Kupfer bedeutet und
Figure imgb0026
Figure imgb0027
Figure imgb0028
Figure imgb0029
Figure imgb0030
Figure imgb0031
Figure imgb0032
Figure imgb0033
sowie
a + b + c + d + e + f + g + h = 1
0,6 ≤ a + b + c
0,1 ≤ d + e + f + g + h
ist.
4. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch die ausschließliche Verwendung von Werkstoffen, die bei Temperaturen zwischen 150 und 400°C beständig sind.
5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitende Wicklung (1,2) ringförmig ausgebildet und das amorphe weichmagnetische Band (4) toroidförmig derart auf die Wicklung (1,2) aufgewickelt ist, daß es diese weitgehend umschließt.
6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitende Wicklung (1,2) aus Aluminium besteht.
7. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Wicklung (1,2) einen etwa rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis der zur Wickelachse parallelen zu der zur Wickelachse senkrechten Seite von etwa 2,5 : 1 bis 1 : 1 besitzt.
8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitende Wicklung (1,2) aus Bandmaterial gewickelt ist.
9. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die mit einer toroidförmlgen Wicklung aus weichmagnetischem Band (4) versehene elektrisch leitende ringförmige Wicklung (1,2) einen etwa quadratischen Querschnitt besitzt.
10. Induktives Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der halbe Durchmesser des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung von weichmagnetischem Material ausgefüllt ist.
11. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllfaktoren der elektrisch leitenden Wicklung (1,2) und der Wicklung aus amorphem weichmagnetischem Band (4) möglichst groß sind.
12. Induktives Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung 1,3 bis 3,5 beträgt.
13. Induktives Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung 1,5 bis 2,5 beträgt.
14. Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelementes nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei zunächst die elektrisch leitende Wicklung hergestellt und isoliert und anschließend das weichmagnetische Band auf die Wicklung aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauelement nach dem Aufwickeln des amorphen weichmagnetischen Bandes (4) einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 150 und 400°C zur mechanischen Entspannung des Bandes unterzogen wird.
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