WO2004017340A1 - Drosselkern für nichtlineare kerndrossel und verfahren zur herstellung - Google Patents

Drosselkern für nichtlineare kerndrossel und verfahren zur herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a choke core made of magnetically saturable material and a non-linear core choke.
  • Throttle without air gap When the choke current is increased, magnetic saturation is reached at a certain current in the closed part of the choke core. With a further increase in the inductor current, the part of the inductor with an air gap becomes effective, so that the inductor behaves effectively at higher currents than an inductor with an air gap, which has a smaller inductance, the larger the width of the air gap. If the current increases further, the part of the choke with a leakage gap also reaches magnetic saturation, the minimum value of the choke inductance being reached.
  • Choke cores made of magnetically saturable material can be used for example for the production of storage chokes, which, for. B. to avoid
  • the object of the present invention is to provide a throttle core and a method for its production, which has an air gap with a particularly small width and can be easily wound.
  • the invention provides a magnetic choke core with a closed, for example ring-like shape with any z.
  • the radial cut represents an opening which is continuous from the inside of the ring-like throttle core to the outside and is arranged longitudinally between the upper and the lower end face of the throttle core.
  • the at least one radial incision is also limited by the throttle core towards the end faces.
  • the axial incision represents an opening which is continuous between the end faces of the choke core and is arranged longitudinally between the upper and the lower end face of the choke core.
  • the axial incision in cross section is limited on all sides by the throttle core.
  • the choke core consists of a material suitable for storing magnetic energy with magnetic properties, e.g. B. from ferrites, iron powder or amorphous iron.
  • the realization of an opening with a very small width corresponding to a shallow air gap succeeds, for. B. by using a Microj et technology with a water jet guided laser.
  • this process has the following advantages: a) the cutting edges are hardly subjected to thermal stress and are realized with high precision with a small incision width (e.g. 50 ⁇ m), b) there is no tool wear, and c) the process can be done at a high speed.
  • the opening in the throttle core is preferably made from the outside of the throttle core inwards (the radial direction). It is also possible that the opening is made perpendicular to the ring plane (the axial direction).
  • a core choke with non-linear properties contains the choke core according to the invention, which is wound by at least one wire winding.
  • a wire winding is a wire wound around the choke core including all windings between two connections at both ends of the wire.
  • This wire can e.g. B. enamelled copper wire, aluminum wire, a wire or a Metal wire.
  • the insulation of the windings is achieved by applying a layer of lacquer or using an insulating plastic hose. Since the incision is formed in the middle of the choke core and the end faces of the choke core according to the invention are not sawn when the incision is made, such a choke core can be wound easily since the wire cannot fall into the slot during winding. It is possible for the wire windings to be mechanically stabilized, for example by a casting compound.
  • the inductor core according to the invention also has the advantage that the air gap, which is designed as an indentation, is enclosed on four sides by a material with magnetic properties, thereby preventing the leakage field from escaping in these directions.
  • Figure 1 shows the throttle core according to the invention with a radial incision in schematic cross section and longitudinal section
  • Figure 2 shows a perspective view of the throttle core according to the invention with a radial incision
  • FIG. 3 shows an advantageous embodiment of the throttle core according to the invention with an axial incision in schematic cross section
  • Figure 1 shows a first embodiment of the ring-shaped throttle core DK according to the invention with a radial incision RE of width d in a schematic cross section parallel to the x / y shown Plane (shown on the left) and in longitudinal section along the x-axis parallel to the x / z plane (shown on the right), the axis of symmetry of the ring being directed along the z-axis.
  • the radial incision RE is continuous from the inside to the outside, so that it is visible or open in the outer and the inner lateral surface of the throttle core.
  • the radial incision RE is arranged longitudinally between the upper and the lower end face OS or US of the throttle core. The radial cut to the end faces OS or US is limited by the throttle core.
  • Figure 2 shows a perspective view of the throttle core according to the invention with a radial incision RE.
  • FIG. 3a shows an embodiment of the invention
  • Throttle core DK with an axial incision in a schematic cross section has an axial incision in a schematic cross section.
  • the axial incision AE has a step in cross section (xy plane in FIG. 3a), so that the width of the incision on the side of the inner circumferential surface of the choke core is greater than the width of the incision on the side of the outer circumferential surface of the choke core. It is also possible that the width of the incision on the side of the inner circumferential surface of the choke core is smaller than the width of the incision on the side of the outer circumferential surface of the choke core.
  • a radial incision it is also possible for a radial incision to be stepped, the width of the incision in the inner circumferential surface of the throttle core being smaller than the width of the incision in the outer circumferential surface of the throttle core.
  • a radial or axial incision with several stages in cross section is also possible.
  • FIG. 3b A further embodiment variant of the invention is presented in FIG. 3b.
  • the axial incision AE is wedge-shaped, so that the width of the incision on the side of the inner circumferential surface of the throttle core is greater than the width of the incision on the side of the outer circumferential surface of the throttle core. It is also possible that the width of the incision on the side of the inner circumferential surface of the throttle core.
  • the outer surface of the throttle core is smaller than the width of the cut on the side of the outer outer surface of the throttle core.
  • a radial incision is wedge-shaped, the width of the incision in the inner circumferential surface of the throttle core being smaller than the width of the incision in the outer circumferential surface of the throttle core.

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Abstract

Die Erfindung schlägt vor, in einem geschlossenen Drosselkern (DK) eine durchgehende axiale oder radiale Öffnung (RE) mit wasserstrahlgeführtem Laser einzuschneiden, wobei das vorgeschlagene Verfahren es ermöglicht, die radiale Öffnung (RE) von innen nach aussen durchgehend auszuführen und sie dabei längs zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche des Drosselkerns anzuordnen, so dass diese Öffnung zu den Stirnflächen hin vom Drosselkern begrenzt ist. Aufgrund der Präzision des Verfahrens ist es möglich, sehr kleine nichtlineare Drosseln mit geschlossenem Drosselkern herzustellen, welcher leicht bewickelt werden kann.

Description

Besehreibung
Drosselkern für nichtlineare Kerndrossel und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Drosselkern aus magnetisch sättigbarem Material sowie eine nichtlineare Kerndrossel .
Die Induktivität einer Kerndrossel mit einem geschlossenen Kern, in dem ein enger Luftspalt vorgesehen ist, weist nichtlineares Verhalten auf, wobei der Wert der Induktivität einer solchen Drossel von der Stromstärke des die Kerndrossel bzw. deren Wicklung durchfließenden Stroms abhängt. Bei kleinem Drosselstrom verhält sich die Drossel wie eine
Drossel ohne Luftspalt . Bei Erhöhung des Drosselstroms wird bei einer bestimmten Stromstärke im geschlossenen Teil des Drosselkerns die magnetische Sättigung erreicht. Bei weiterer Erhöhung des Drosselstroms wird der Teil der Drossel mit Luftspalt wirksam, so daß sich die Drossel bei höheren Strömen effektiv wie eine Drossel mit Luftspalt verhält, welche eine um so kleinere Induktivität aufweist, je größer die Breite des Luftspaltes ist . Bei weiterer Stromerhöhung erreicht auch der Teil der Drossel mit Lustspalt die magnetische Sättigung, wobei der Mindestwert der Drossel- Induktivität erreicht wird.
Drosselkerne aus magnetisch sättigbarem Material können beispielsweise zur Herstellung von Speicherdrosseln angewendet werden, welche z. B. zur Vermeidung von
Überspannungen in getakteten Gleichspannungswandlern, insbesondere Durchflußwandlern oder in Steuerungssystemen der Telekommunikation eingesetzt werden können'.
Aus der Druckschrift DE 3622190 AI ist bekannt, daß in einem Drosselkern von allen Seiten durch den Drosselkern umschlossene, mit magnetisch neutralen Materialien (d. h. Materialien mit geringer magnetischer Permeabilität, z. B. Keramik) gefüllte Hohlräume ausgebildet werden können. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß damit nur Spalte mit vergleichsweise großer. Breite erzielt werden.
Es ist auch bekannt, daß ein Loch in den Drosselkern vor oder nach dem Sintern eingebohrt wird.
Ferner ist es möglich, den Luftspalt durch teilweise Einsägen des Drosselkerns mit Diamantenscheiben zu realisieren, wobei zumindest eine Stirnfläche des Drosselkerns angeschnitten wird (Druckschrift DE 3608519 AI) . Der Nachteil von diesem Verfahren liegt darin, daß damit nur Luftspalte mit vergleichsweise großer Breite erzeugt werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Drahtwindungen der Drossel bei Bewicklung des Drosselkerns in den Luftspalt geraten können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drosselkern und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der einen Luftspalt mit einer besonders geringen Breite aufweist und dabei leicht bewickelt werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Drosselkerns gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Die Erfindung gibt einen magnetischen Drosselkern mit einer geschlossenen, beispielsweise ringähnlichen Form mit beliebigem z. B. O-förmigem, D-förmigem, dreieckigem oder rechteckigem Querschnitt an, in dem zumindest ein axialer oder radialer Einschnitt vorgesehen ist. Dabei stellt der radiale Einschnitt eine Öffnung dar, die vom Inneren des ringähnlichen Drosselkerns nach außen durchgehend ist und längs zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche des Drosselkerns angeordnet ist . Dabei ist der zumindest eine radiale Einschnitt auch zu den Stirnflächen hin vom Drosselkern begrenzt. Der axiale Einschnitt stellt eine Öffnung dar, die zwischen den Stirnflächen des. Drosselkerns durchgehend ist und längs zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche des Drosselkerns angeordnet ist . Dabei ist der axiale Einschnitt im Querschnitt vom Drosselkern allseitig begrenzt .
Der Drosselkern besteht aus einem zur Speicherung magnetischer Energie geeigneten Material mit magnetischen Eigenschaften, z. B. aus Ferriten, Eisenpulver oder amorphem Eisen.
Die Realisierung einer Öffnung mit einer sehr geringen Breite entsprechend einem schalen Luftspalt gelingt z. B. dadurch, daß eine Microj et-Technologie mit einem wasserstrahlgeführter Laser (water jet guided laser) eingesetzt wird. Dieses Verfahren hat neben hoher Flexibilität folgende Vorteile: a) die Schnittkanten werden kaum thermisch belastet und werden mit hoher Präzision bei, einer geringen Einschnittsbreite (z. B. 50 μm) realisiert, b) es entsteht kein Werkzeugverschleiß, und c) das Verfahren kann mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden. Die Öffnung im Drosselkern wird vorzugsweise von der Außenseite des Drosselkerns nach innen ausgeführt (die radiale Richtung) . Möglich ist auch, daß die Öffnung senkrecht zur Ringebene ausgeführt wird (die axiale Richtung) .
Eine Kerndrossel mit nichtlinearen Eigenschaften enthält den erfindungsgemäßen Drosselkern, der von zumindest einer Drahtwicklung umwickelt ist . Unter einer Drahtwicklung versteht man einen um den Drosselkern gewickelten Draht einschließlich aller Wicklungen zwischen zwei Anschlüssen an beiden Enden des Drahtes. Dieser Draht kann z. B. Kupferlackdraht, Aluminiumdraht, eine Aderleitung oder eine Metallitze sein. Die Isolierung der Wicklungen wird durch das Auftragen einer Lackschicht oder mittels eines isolierenden KunstStoffschlauchs erreicht . Da der Einschnitt in der Mitte des Drosselkerns ausgebildet ist und die Stirnseiten des erfindungsgemäßen Drosselkerns bei der Ausführung des Einschnitts nicht angesägt werden, kann ein solcher Drosselkern leicht bewickelt werden, da der Draht beim Bewickeln nicht in den Schlitz fallen kann. Es ist möglich, daß die Drahtwicklungen beispielsweise durch eine Vergußmasse mechanisch stabilisiert werden.
Im Vergleich zu einem bis zum Kernrand geführten Einschnitt des Drosselkerns hat der erfindungsgemäße Drosselkern außerdem den Vorteil, daß der als Einschnitt ausgebildete Luftspalt an vier Seiten von einem Material mit magnetischen Eigenschaften umschlossen ist und dadurch das Austreten des Streufeldes in diesen Richtungen verhindert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen Drosselkern mit einem radialen Einschnitt im schematischen Querschnitt und Längsschnitt
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Drosselkerns mit einem radialen Einschnitt
Figur 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drosselkerns mit einem axialen Einschnitt im schematischen Querschnitt
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen ringförmig ausgebildeten Drosselkerns DK mit einem radialen Einschnitt RE der Breite d im schematischen Querschnitt parallel zur dargestellten x/y Ebene (links dargestellt) und im Längsschnitt entlang der x- Achse parallel zur x/z Ebene (rechts dargestellt) , wobei die Symmetrieachse des Rings entlang der z-Achse gerichtet ist. Der radiale Einschnitt RE ist von innen nach außen durchgehend ausgebildet, so daß.er in der äußeren und der inneren Mantelfläche des Drosselkerns sichtbar bzw. offen ist. Der radiale Einschnitt RE ist längs zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche OS bzw. US des Drosselkerns angeordnet . Dabei ist der radiale Einschnitt zu den Stirnflächen OS bzw. US hin vom Drosselkern begrenzt.
Es ist möglich, daß im erfindungsgemäßen Drosselkern mehrere Einschnitte mit gleichen oder unterschiedlichen Breiten ausgebildet werden.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Drosselkerns mit einem radialen Einschnitt RE.
Figur 3a zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Drosselkerns DK mit einem axialen Einschnitt im schematischen Querschnitt. Der axiale Einschnitt AE weist eine Stufe im Querschnitt (xy-Ebene in Figur 3a) auf, so daß die Breite des Einschnitts auf der Seite der inneren Mantelfläche des Drosselkerns größer als die Breite des Einschnitts auf der Seite der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist. Es ist auch möglich, daß die Breite des Einschnitts auf der Seite der inneren Mantelfläche des Drosselkerns kleiner als die Breite des Einschnitts auf der Seite der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist.
Möglich ist auch, daß ein radialer Einschnitt stufenförmig ausgebildet ist, wobei die Breite des Einschnitts in der inneren Mantelfläche des Drosselkerns kleiner als die Breite des Einschnitts in der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist . Auch ein radialer oder axialer Einschnitt mit mehreren Stufen im Querschnitt ist möglich.
In Figur ,3b ist eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung vorgestellt. Der axiale Einschnitt AE ist keilförmig ausgebildet, so daß die Breite des Einschnitts auf der Seite der inneren Mantelfläche des Drosselkerns größer als die Breite des Einschnitts auf der Seite der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist. Es ist auch möglich, daß die Breite des Einschnitts auf der Seite der inneren
Mantelfläche des Drosselkerns kleiner als die Breite des Einschnitts auf der Seite der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist.
Möglich ist auch, daß ein radialer Einschnitt keilförmig ausgebildet ist, wobei die Breite des Einschnitts in der inneren Mantelfläche des Drosselkerns kleiner als die Breite des Einschnitts in der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist .
Mit stufenförmig oder keilförmig ausgebildeten Einschnitten kann ein fließender Verlauf der Drosselcharakteristik (Induktivität gegen Strom) in einem bestimmten Stromstärkenbereich erzielt werden.
Die Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber nur anhand weniger Ausführungsformen dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich im Hinblick auf die Anzahl der Einschnitte im Drosselkern, auf Kombinationsmöglichkeiten der Einschnitte mit unterschiedlichen Breiten oder Formen der Querschnitte sowie auf Befestigungsmöglichkeiten der Drahtwicklungen am Drosselkern.

Claims

Patentansprüche
1. Geschlossener magnetischer Drosselkern (DK) mit zumindest einem axial ausgeführten Einschnitt (AE) , der von der unteren Stirnfläche (US) zur oberen Stirnfläche (OS) des Drosselkerns durchgehend ausgebildet ist und zwischen den Stirnflächen (OS, US) des Drosselkerns angeordnet ist, wobei der axial ausgeführte Einschnitt (AE) im
Querschnitt senkrecht zur Kernachse allseitig vom Drosselkern begrenzt ist, und wobei der axial ausgeführte Einschnitt (AE) im Querschnitt senkrecht zur Kernachse keilförmig ausgebildet ist oder zumindest eine Stufe aufweist.
2. Geschlossener magnetischer Drosselkern (DK) mit zumindest einem radial ausgeführten Einschnitt (RE) , der von innen nach außen durchgehend ist und zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche (OS, US) des Drosselkerns angeordnet ist, wobei der zumindest eine radial ausgeführte Einschnitt (RE) zu den Stirnflächen hin vom Drosselkern begrenzt ist wobei der radial ausgeführte Einschnitt (RE) im Querschnitt senkrecht zur Kernachse keilförmig ausgebildet ist oder zumindest eine Stufe aufweist, wobei die Breite des Einschnitts (RE) in der inneren Mantelfläche des Drosselkerns kleiner als die Breite des Einschnitts in der äußeren Mantelfläche des Drosselkerns ist.
3. Kerndrossel mit einem Drosselkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , die zumindest eine Drahtwicklung umfaßt, welche den Drosselkern umschließt.
4. Kerndrossel nach Anspruch 4 , bei welcher die zumindest eine Drahtwicklung aus Metalldraht, einer Aderleitung oder einer Metallitze besteht.
5. Kerndrossel nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher der Draht der zumindest einen Drahtwicklung mit einer isolierenden Lackschicht oder einem Kunststoffschlauch versehen ist .
6. Verfahren zur Herstellung eines Drosselkerns nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem ein geschlossener Ringkern bereitgestellt wird, bei dem mit einem wasserstrahlgeführten Laser zumindest eine von außen nach innen durchgehende radiale Öffnung eingeschnitten wird, welche zu den Stirnflächen des Drosselkerns hin vom Drosselkern begrenzt ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Drosselkerns nach Anspruch 3 , bei dem ein geschlossener Ringkern bereitgestellt wird, bei dem mit einem wasserstrahlgeführten Laser zumindest eine durchgehende axiale Öffnung eingeschnitten wird, welche zwischen den Stirnflächen des Drosselkerns durchgehend ist und längs zwischen der oberen und der unteren Stirnfläche des Drosselkerns angeordnet ist, wobei die axiale Öffnung im Querschnitt vom Drosselkern allseitig begrenzt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Drosselkern mit zumindest einer Drahtwicklung umwickelt wird.
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