DE3215001A1 - Induktiver uebertrager - Google Patents

Description

• Induktiver übertrager
• Die Erfindung betrifft einen induktiven Übertrager mit Primärwicklung und induktiv angekoppelter Sekundärwicklung, die beide auf einem aus Blechschnitten aufgebauten Schichtkern angeordnet sind.
• Derartige übertrager werden bevorzugt als sogenannte Trenn-Übertrager zur galvanischen Entkopplung von Schaltkreisen der Meß-, Steuer- und Regeltechnik eingesetzt.
• Aus Sicherheitsgründen wird häufig gefordert, daß auch bei über das Normalmaß hinaus steigender, der Primärwicklung zugeführter Leistung (Spannung, Strom) ein vorgegebener Spannungs- oder Stromgrenzwert im Sekundärkreis nicht überschritten wird.
• Es ist bekannt, zu diesem Zweck strom- oder spannungebegrenzende elektronische Baugruppen einzusetzen, was jedoch mit erhöhtem Aufwand verbunden ist, insbesondere dann, wenn höhere Temperaturen am Einsatzort herrschen.
• Da von den clektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Schichtkerns wesentliche Betriebsparameter des induktiven Übertragers abhängen, ist es bereits bekannt, diese dadurch gezielt ZU beeinflussen, daß man zum Kernaufban Blechschnitte aus Werkstoffen mit verschiedenen elektrischen oder magnetischen Eigenschaften verwendet Es besteht somit die Aufgabe, unter gezielter Ausnutzung bestimmter magnetischer Eigenschaften des Kernmaterials einen induktiven Übertrager mit galvanisch entkoppeltem Ein- und Ausgang zu schaffen, bei dem eine ausgangsseitige Leistungsbegrenzung auf einfache Weise erreicht werden kann.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Blechschnitte des Schichtkerns aus Werkstoffen vorschiedener Curie-Temperatur bestehen.
• Die sogenannte Curie-Temperatur (Tc) ist die Temperatur, bei der ferromagnetische Stoffe in einen schwach paramagnetischen Zustand übergehen, d.h. ihr magnetischer Widerstand erhöht sich um meilrere Zehnerpotenzen. Für reines Eisen liegt die Curie-Temperatur beispielsweise bei 787° C, bei Legierungen z.T.
• erheblich niedriger. Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Schichtkerns haben sich Blechschnitte aus den Eisen-Nickel-Legierungsgruppen Fe Ni 70 (Tc # 250 bis 400° C) und Fe Ni 30 (Tc # 40 bis 120° C) als besonders vorteilhaft erwiesen, deren Schichtanteile je nach Anwendungsfall variiert werden kann.
• Wird der Schichtkern des Übertragers durch Fremdeinflüsse oder aufgrund der Übertragungsverluste erwärmt, so wird ein Teil der Blechschnitte bei Überschreiten der betreffenden Curie-Temperatur magnetisch nicht leitend, der effektive Kernquerschnitt und damit die Übertragungsleistung verringert sich, so daß die steigende Energiezufuhr im Eingangskreis mit kleiner werdendem Wirkungsgrad in den Ausgangskreis übertragen wird, was dort einer Leistungsbegrenzung gleichkommt. Durch geeignete Abstufung der Anteile der Kernwerkstoffe unterschiedlicher Curietemperaturen kann eine relativ schnelle oder langsame Annäherung an den Leistungsgrenzwert im Ausgangskreis erreicht werden. Die Selbsterwärmung des Schichtkerns infolge der Eisenverluste + Cu-Verluste kann noch durch en-tsprechende Bemessung der den ubertrag-er umgebenden wärmeableitenden oder - dämmenden Mittel beschleunigt oder verstärkt werden.
• Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 Beispiel eines induktiven Übertragers mit Schichtkern stark schematisiert dargestellt. fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Gurietemperatur der Kernwerkstoffe und dem Ubertragungswirkungsgrad.
• Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, besteht der Übertrager aus einem aus rechteckigen, rahmenförmigen Blechschnitten 1 aufgebauten Schich-tkern 2, auf denen einem Schenkel galvanisch getrennt und induktiv gekoppelt zwei Spulenwicklungen, die Primärwicklung vI und die Sekundärwicklung vII, angeordnet sind. An den Eingängen e, e' wird eine elektrische Größe hier die Spannung e zugeführt, an den Ausgängen a, a' wird die Spannung Ua abgenommen.
• Der Schichtkern 2 ist beispielsweise aus 12 Blechschnitten aufgebaut, von denen je drei die Teilschichten TSI und TS2 bilden und der Rest die Teilschicht T53. Die in der Figur gezeigte Schichtfolge ist nicht zwftjgend.
• Die Blechsohnitte der Teilschicht TSI sind aus einer Sisen -Nickellegierung (Fe iti 30) mit einer Curietemperatur Tc1 von 68° C, die der Teilschicht TS2 aus einer Ni Fe-Legierung mit der Curietemperatur Tc2 von 88° C und die der Teilschicht TS3 aus einer Fe-Ni-Legierung mit der Curie-Temperatur T c3 von 130° C hergestellt.
• In dein Diagramm der Fig. 2 ist über der Kerntemperatur tlP des Schichtkerns 2 der induktive Übertragungswirkungsgrad Ü in-Prozent aufgetragen mit welchem eine dem Eingang @, e' zugeführte elektrische Leistung, hier versinnbildlicht durch die Singangsspannung Ue, auf den Ausgang a, a' übertragen wird und dort als Ausgangsspannung Ua ansteht.
• Überschreitet die Kerntemperatur tk den Wert T cl so werden die Blechechnitte der Teilschicht TS1 paramagnetisch, der Magnetfluß im Kern 2 wird infolge der Querschnittsminderung um etwa 25 % verringert, damit sinkt auch der Übertragungswirkungsgrad Ü auf etwa 70 %; der gleiche Vorgang findet nochmals bei Überschreiten der Temperatur Tc2 880 C statt, der Kernquerschnitt wird auf etwa 50 ;.r; vermindert.
• Konform zum Verlauf von Ü sind die Eingangs Spannung Ue und die damit verknüpfte Ausgangsspannung Ua aufgetragen.
• Im Ausgangskreis sei eine Spannungs- und damit Leistungsbegrenzung mit dein Grenzwert Um vorgeschrieben.
• Die Ausgangs spannung Ua folgt der steigenden Eingangsspannung und sinkt noch vor Erreichen des Grenzwerts Umax wieder leicht ab, da sich die Leistungsübertragung infolge der Erhöhung des magnetischen Widerstands im Eisenkreis bei der Temperatur Tc1 verringert. Bei weiter steigender Eingangsspannung Ue folgt die Ausgangsspannung Ua mit einem kleineren Gradienten, bei Erreichen der zweiten Ü- Verringerung bei der Temperatw T c2 wird der Gradient der Ausgangsspannungskurve weiter @@ verflacht bzw. abgesenkt.
• Nach Überschreiten einer Grenztemperatur, entsprechend Tc3, wird auch die Yeilschicht TS3 paramagnetisch, Ü geht schnell gegen Null und es wird keine Energie mehr in den Ausgangskreis übertragen.
• Wird zur Erzeugung der Kerntemperatur tk die Eigenerwärmung des Kerns infolge der Eisen- oder Wicklungsverluste ausgenützt, so regelt sich bei entsprechendem Aufbau des Kerns die übertragene leistung auf einen vorgebbaren Pegel selbst ein, wenn die Eingangsspannung in unzulässiger Weise erhöht wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche 1) Induktiver Übertrager mit Primärwicklung und induktiv angekoppelter sekundärwicklung, die beide auf einem aus Blechschnitten aufgebauten Schichtkern angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Blechse@nitte (1) des Schichtkerns (2) aus Werkstoffen verschiedener Curie-Temperatur (Tc) bestehen.
2. 2) Induktiver Übertrager nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e n c h n e t , daß Werkstoffe der Legierungsgruppen Fe Ni 70 (Tc # 250 bis 400° C) und/oder Fe Ni 50 (Tc # 40 bis 120° C) verwendet sind.