EP0797223B1

EP0797223B1 - Induktives Bauelement mit abstimmbarem magnetischen Verhalten

Info

Publication number: EP0797223B1
Application number: EP97102437A
Authority: EP
Inventors: Mauricio Esguerra; Helko Meuche
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2002-08-07
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: US5939965A; EP0797223A1; CA2200172A1; TW402726B; DE59707893D1; KR970067406A; JPH09260147A; MX9702017A; KR100417043B1; ATE222021T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit abstimmbarem magnetischen Verhalten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Induktivität von induktiven Bauelementen mit mechanischen oder magnetischen Mitteln abgestimmt, d. h. nach dem Zusammenbau auf einen Sollwert eingestellt werden kann. So sind beispielsweise aus "Ferritkerne - Grundlagen, Dimensionierung, Anwendungen in der Nachrichtentechnik", von S. Kampczyk und E. Röß, 1978, Siemens Aktiengesellschaft, Seiten 266 bis 268 Variometer bekannt, bei denen (ähnlich wie bei einem Drehkondensator) die Induktivität während des Betriebs laufend auf den jeweils gewünschten Wert eingestellt werden kann. Bei derartigen Variometern kann die Induktivität durch ein Magnetfeld um Faktoren geändert werden. Bei einer solchen elektromagnetischen Abstimmung wird der Magnetkern des induktiven Bauelementes durch einen in einer Hilfswicklung fließenden einstellbaren Gleichstrom mehr oder weniger vormagnetisiert. Es wird also die Erscheinung ausgenutzt, daß die Wechselfeldpermeabilität (Überlagerungsoder reversible Permeabilität) um so kleiner wird, je größer das vormagnetisierende Gleichfeld ist.

Entsprechende Verhältnisse liegen auch bei Transduktoren vor, die beispielsweise aus "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", 1961, Verlag Moderne Industrie, Seite 4586 bekannt sind. Es handelt sich dabei um steuerbare Drosselspulen mit nichtlinearen magnetischen Eigenschaften, die in magnetischen Verstärkern, Reglern, Begrenzern, Stellgliedern, Schaltern und Wandlern einsetzbar sind. Das Grundelement ist eine Drosselspule mit mindestens einem Magnetkern, die neben den Arbeitswicklungen auch noch mindestens eine Steuerwicklung enthält. Auch dabei hängen die Eigenschaften der Transduktordrossel von der Magnetisierungskennlinie ab, deren Nichtlinearitäten ausgenutzt werden. Durch magnetische Sättigung des Kernmaterials erhält man eine vom magnetischen Fluß abhängige Induktivität der Arbeitswicklung. Der magnetische Fluß wird nicht nur durch den Strom in den Arbeitswicklungen sondern auch über den Strom in den Steuerwicklungen beeinflußt.

Aus der DE 30 36 913 A1 ist ein induktives Bauelement bekannt, welches auf zumindest einer Kernfläche des Kerns eine Metallfolie aufweist, die mit einem Ende der Wicklung und mit einer Zuleitung für die Wicklung verbunden ist.

Aus der DE-PS 97 68 18 ist ein induktives Bauelement bekannt, bei dem der magnetische Kern als temperaturvariabler Widerstand parallel zu der magnetischen Wicklung geschaltet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, mit der bei geringer Änderung der Induktivität von induktiven Bauelementen weitere Parameter, insbesondere deren Frequenzgang und das Verlustverhalten steuerbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines ersten induktiven Bauelementes mit abstimmbarem magnetischen Verhalten;
Figur 2: eine der Figur 1 entsprechende Darstellung eines zweiten induktiven Bauelementes mit abstimmbarem magnetischen Verhalten;
Figur 3: ein Diagramm der Anfangspermeabilität eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes als Funktion der Frequenz;
Figur 4: ein Diagramm des ohmschen Anteils der magnetischen Impedanz eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes als Funktion der Frequenz;
Figur 5: ein Diagramm einer Hystereseschleife - magnetische Induktion als Funktion des magnetischen Feldes - eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes; und
Figur 6: ein Diagramm der relativen Verlustleistung als Funktion eines Überlagerungsstroms eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes.

Der Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen haben gezeigt, daß das magnetische Verhalten von induktiven Bauelementen auch durch dem Kernmaterial von deren Magnetkernen aufgeprägte elektrische Felder bzw. Ströme beeinflußbar ist. Um dies zu realisieren, kann ein induktives Bauelement so ausgebildet werden, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Dieses induktive Bauelement wird durch einen Magnetkern 1 und eine Wicklung 3 gebildet, wie dies bei induktiven Bauelementen üblich ist. In der schematischen Darstellung nach Figur 1 ist aus Übersichtlichkeitsgründen ein Ringkern 1 sowie eine einwindige Wicklung 3 dargestellt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß diese einfache Darstellung lediglich der Erläuterung dient, d. h. die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind bei jeder Art von induktiven Bauelementen, etwa bei Bauelementen mit mehrteiligen Magnetkernen und mehreren Wicklungen anwendbar.

Gemäß Figur 1 sind nun Mittel zur Einprägung eines elektrischen Feldes in den Magnetkern 1 vorgesehen. Gemäß der schematischen Darstellung nach Figur 1 werden diese Mittel zur Einprägung eines elektrischen Feldes durch metallische Elektrodenbelegungen 2 auf dem Magnetkern 1 sowie mit diesen verbundene elektrische Anschlüsse 4 gebildet. Die elektrischen Anschlüsse 4 dienen gleichzeitig auch als Anschlüsse für die Wicklung 3. An Klemmen 5 und 6 ist sowohl in die Wicklung 3 als auch in die Elektrodenbelegungen 2 ein elektrischer Strom einspeisbar. Der in die Elektrodenbelegungen 2 eingespeiste elektrische Strom ist in Figur 1 mit I₀ bezeichnet.

Gemäß Figur 1 sind die elektrischen Anschlüsse 4 sowohl für die Wicklung 3 als auch die Elektrodenbelegungen 2 gleichphasig angeschlossen. Durch die in die Elektrodenbelegungen 2 und die Wicklung 3 eingespeisten Ströme wird erreicht, daß im Magnetkern 1 ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld erzeugt werden, die aufeinander senkrecht stehen.

Gemäß Figur 1 sind das elektrische Feld und das magnetische Feld gleichfrequent und gleichphasig und besitzen darüber hinaus Amplituden, die durch die gemeinsam anliegende Spannung bestimmt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausführungsform beschränkt.

So sind gemäß Figur 2, in der gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, die Elektrodenbelegungen 2 und die Wicklung 3 über die elektrischen Anschlüsse 4 gegenphasig angeschlossen. Damit ergibt sich eine relative Phasenlage zwischen elektrischen Feld und magnetischen Feld von 180°.

Neben den beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Phasenlagen von 0° und 180° ist natürlich durch geeignete an sich bekannte Beschaltungsmittel auch eine in einem Bereich von 180° variierende Phasenlage zwischen elektrischem Feld und magnetischem Feld möglich. Weiterhin kann der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellte Aufbau durch Vorschalten von nicht dargestellten Verstärkern in den jeweiligen Stromkreisen erweitert werden, so daß eine unabhängige Einstellung der jeweiligen Feldamplitude möglich wird. Auch eine stufenlose Phasenverschiebung ist möglich, um die Überlagerung von elektrischem und magnetischem Feld zwischen den beiden Grenzfalle "Phase" und "Gegenphase" zu variieren.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist nicht nur die Permeabilität von induktiven Bauelementen abstimmbar.

Das Diagramm nach Figur 3 zeigt, daß auch der Frequenzgang der Permeabilität von induktiven Bauelementen durch Überlagerung eines elektrischen Feldes bzw. Strom im oben beschriebenen Sinne beeinflußbar ist. Im Diagramm nach Figur 3 ist die Anfangspermeabilität µ' als Funktion der Frequenz f in Hz aufgetragen. Eine ausgezogen dargestellte Kurve 30 zeigt den Verlauf der Anfangspermeabilität µ' als Funktion der Frequenz ohne Überlagerung eines elektrischen Feldes. Eine gestrichelt dargestellte Kurve 31 zeigt entsprechend den Verlauf der Anfangspermeabilität µ' bei gegenphasiger Überlagerung eines elektrischen Feldes, während eine punktiert dargestellte Kurve 32 den Verlauf der Anfangspermeabilität µ' für den Fall einer gleichphasigen Überlagerung eines elektrischen Feldes zeigt.

Figur 4 zeigt ein entsprechendes Diagramm des ohmschen Anteils der magnetischen Impedanz µ'' als Funktion der Frequenz f in Hz, wobei eine ausgezogene Kurve 40, eine gestrichelte Kurve 41 und eine gestrichelte Kurve 42 entsprechende Verhältnisse wie die Kurven 30 bis 32 in Figur 3 zeigen.

Das Diagramm nach Figur 5 zeigt den Verlauf von Hystereseschleifen. d. h. die magnetische Induktion B in mT als Funktion der magnetischen Feldstärke H in A/m. Entsprechend den Diagrammen nach den Figuren 3 und 4 zeigt eine ausgezogen dargestellte Hystereseschleife 50 den Fall ohne Überlagerung eines elektrischen Feldes, eine gestrichelt dargestellte Hystereseschleife 51 eine gegenphasige Überlagerung eines elektrischen Feldes und eine punktiert dargestellte Schleife 52 den Fall einer gleichphasigen Überlagerung eines elektrischen Feldes.

Schließlich zeigt das Diagramm nach Figur 6 die relative Verlustleistung Pv/Pv _IÜ=0 in % als Funktion des Überlagerungsstromes I₀ in mA, wobei Pv _IÜ=0 die Verlustleistung ohne Überlagerung eines elektrischen Feldes ist. Die verschiedenen Kurven gelten mit dem Parameter der Frequenz f für 100, 200 und 400 kHz für die Fälle Überlagerung in Gegenphase und Überlagerung in Phase, wie dies in der Legende zu Figur 6 angegeben ist.

Durch das überlagerte elektrische Feld kommt zwar eine ohmsche Erwärmung des induktiven Bauelementes zustande. Eine Senkung der gesamten Wärmeentwicklung im Vergleich zum Fall ohne elektrisches Feld ist jedoch möglich, wenn die magnetische Verlustleistungsabnahme größer als die ohmsche Leistung wird. Dies kann über die Auslegung des Bauelementes (Geometrie, Werkstoff, Wicklungen) und des überlagerten Feldes (Richtung, Amplitude, Signalform und/oder Phase) optimiert werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Verhalten von induktiven Bauelementen durch Überlagerung von elektrischen Feldern bzw. Strömen gesteuert werden kann. Dabei kann im Gegensatz zu magnetisch gesteuerten induktiven Bauelementen bei geringer Änderung der Materialpermeabilität bzw. der Induktivität des Bauelementes insbesondere auch der Frequenzgang sowie das Verlustverhalten gesteuert werden. Die Regelung kann dabei, wie oben ausgeführt, durch verschiedene Parameter des überlagerten Feldes gestaltet werden.

Claims

Induktives Bauelement mit abstimmbarem magnetischen Verhalten

mit mindestens einem Magnetkern (1) und mindestens einer Wicklung (3) zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Magnetkern (1) durch einen die Wicklung (3) durchfließenden elektrischen Strom,

mit Mitteln (2,4) zur Einprägung eines elektrischen Feldes oder Stroms in den Magnetkern (1), die metallische Elektrodenbelegungen (2) auf dem Magnetkern (1) sowie mit diesen verbundene elektrische Anschlüsse (4) umfassen, wobei das elektrische Feld und das Magnetfeld gleichfrequent sind, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Abstimmbarkeit des magnetischen Verhaltens Mittel zu Einstellung einer beliebigen Phasenbeziehung zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld zwischen 0 und 180° oder Mittel zur unabhängigen Einstellung der jeweiligen Feldamplitude von elektrischem und magnetischem Feld vorgesehen sind.
Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem die Anschlüsse (4) für das elektrische Feld mit den Anschlüssen für das Magnetfeld verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem zwei Stromkreise für das elektrische und das magnetische Feld vorgesehen sind und bei dem in einem Stromkreis ein elektrischer Verstärker angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die elektrischen Anschlüsse (4) für die metallischen Elektrodenbelegungen (2) auf dem Magnetkern (1) auch die Anschlüsse für die Wicklung (3) bilden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das elektrische Feld und das Magnetfeld gleichphasig sind.
Bauelement nach Anspruch 5,
bei dem die Wicklung (3) und die Elektrodenbelegungen (2) gleichphasig mit den elektrischen Anschlüssen (4) verbunden sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das elektrische Feld und das Magnetfeld unterschiedliche Phase besitzen.
Bauelement nach Anspruch 7,
bei dem das elektrische Feld und das Magnetfeld gegenphasig sind.
Bauelement nach Anspruch 8,
bei dem die Wicklung (3) und die Elektrodenbelegungen (4) gegenphasig mit den elektrischen Anschlüssen (4) verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem Beschaltungsmittel vorgesehen sind, die eine stufenlose Einstellung der Phasenbeziehung zwischen elektrischem und magnetischem Feld ermöglichen.