DE3622190A1 - Spulenkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material, der mindestens eine aus magnetischem Material bestehende Schnittfläche seines Querschnittes enthält, die kleiner ist als entsprechende Schnittflächen ihrer Umgebung.

In einem Artikel von W. Rößler (Rößler, W.: Nichtlineare Speicherdrosseln mit Ferritkernen, Elektronik 1, 1985, Seiten 72-74) werden Speicherdrosseln beschrieben, die sich für den Einsatz in getakteten Gleichspannungswand­ lern, insbesondere in Durchflußwandlern eignen. Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Durchflußwandlers. Eine Eingangs­ gleichspannung Ul wird in eine Ausgangsspannung Uo umge­ wandelt, die über einem Lastwiderstand abfällt. Das erste Teilbild der Fig. 1 zeigt den Wandler bei geschlossenem Schalter S, das zweite bei geöffnetem Schalter. In beiden Fällen gibt ein Pfeil die Flußrichtung des Drosselstromes iL der Speicherdrossel Lo an. Bei geschlossenem Schalter S wird über die Speicherdrossel Lo ein Siebkondensator C geladen und der Lastwiderstand mit Strom versorgt; eine sogenannte Freilaufdiode D ist gesperrt. Bei geöffnetem Schalter wird die in der Speicherdrossel Lo gespeicherte Energie bei nun geöffneter Freilaufdiode D an den Last­ widerstand abgegeben. Eine Regelung der Ausgangsspannung Uo erfolgt mit einer nicht eingezeichneten Regeleinrich­ tung über eine Veränderung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters S.

Nimmt der Lastwiderstand zu, wird also die Last geringer, so tritt bei jedem Durchflußwandler von einer bestimmten Last an eine Überhöhung der Ausgangsspannung Uo gegenüber ihrem Sollwert auf, sofern die Induktivität L der Speicherdrossel Lo unabhängig von dem dabei ebenfalls kleiner werdenden Drosselstrom iL ist. Diese Überhöhung kann entweder garnicht oder nur mit erheblichem Zusatz­ aufwand durch Veränderung des Tastverhältnisses ausgere­ gelt werden. Einen Vorschlag zur Vermeidung dieser Span­ nungsüberhöhung und des Zusatzaufwandes für den Regler wird in dem oben zitierten Artikel von W. Rößler gemacht: Die Drosselspule erhält nichtlineares Verhalten, und zwar so, daß ihre Induktivität L mit abnehmendem Drosselstrom iL-iL bezeichnet nur den Gleichanteil des Drosselstro­ mes - stark zunimmt. Erreicht wird das erwünschte nicht­ lineare Verhalten durch einen dachförmig angeschrägten Mittelbutzen einer Kernhälfte eines RM-Kernes.

Eine plausible Erklärung für das beobachtete Phänomen ist die, daß nur die angeschrägten Teile bei höherem Drossel­ strom iL in die magnetische Sättigung geraten und die gesamte Drossel sich dann - dies entspricht der Beobach­ tung - wie eine Drossel mit Luftspalt verhält. Bei kleinem Drosselstrom verhält sich die Drossel wie eine ohne Luftspalt. Der Versuch einer exakten Erklärung würde auf die Berechnung magnetostatischer Felder im dreidi­ mensionalen Raum führen.

Die Verwendung von RM-Kernen z.B. für Drosselspulen bei Durchflußwandlern hat jedoch - besonders wenn sie mit hohen Schaltfrequenzen (150 bis 200 kHz) betrieben wer­ den - mehrere Nachteile. Trotz der geringen Windungszahl - Größenordnung etwa 10 - pro Spule, muß der Kern mit der Maschine gewickelt werden. Streufelder, die bei höheren Frequenzen eine immer größere Bedeutung bekommen, können nicht vermieden werden und stören in immer stärkerem Maße die benachbarten Bauteile auf einer Platine.

In der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 36 08 519.7 ist ein Spulenkern mit den eingangs genann­ ten Merkmalen angegeben, mit dem die aufgezählten Mängel vermieden werden und mit dem unter anderem eine Drossel herstellbar ist, die auch das oben beschriebene nicht­ lineare Verhalten zeigt.

Wegen der hohen Packungsdichte von Bauteilen, z.B. auf Platinen, auf denen u.a. auch Drosseln untergebracht sind, ist es von größter Wichtigkeit, Spulenkerne zu ver­ wenden, deren Streufelder auch in unmittelbarer Nachbar­ schaft so schwach sind, daß Störungen vernachlässigbar klein sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spulen­ kern von der eingangs genannten Art anzugeben, der nicht­ lineares Verhalten im oben erläuterten Sinne zeigt und dessen Streufelder gegenüber den in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen noch weiter verringert sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kern Hohlräume enthält, die mit magnetisch neutralem Material ausgefüllt sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung enthält der Anspruch 2; Anspruch 3 gibt ein Verfahren zur Herstellung eines Spulenkerns an.

Anhand der Figuren soll ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt die Einsatzmöglichkeit einer Drosselspule bei Durchflußwandlern,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spulenkern, der nach der erfindungsgemäßen Lehre gestaltet ist.

Die Bedeutung der Fig. 1 ist in der Beschreibungsein­ leitung eingehend erläutert worden; die Drosselspule Lo kann ohne weiteres durch eine Spule mit erfindungsgemäßen Merkmalen ersetzt werden. Wirtschaftlich bedeutend wird das Ersetzen allerdings erst dann, wenn der Schalter S mit ausreichend hoher Schaltfrequenz (größer als 100 kHz) betrieben wird.

Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch einen Ringkern RK mit erfindungsgemäßen Merkmalen dar; bei dem Schnitt nach Fig. 2 liegt die Achse A der Kernes in der Schnitt­ fläche. Der abgebildete Ringkern RK hat zwei Hohlräume H 1 und H 2, die mit magnetisch neutralem Material, z.B. mit einer Keramik, gefüllt sind. (Unter magnetisch neutralen Materialien sind solche mit geringer magnetischer Permeabilität zu verstehen). Die Hohlräume sind vollstän­ dig von Ferrox-Cube-Material umgeben, so daß Streufelder, die wegen der unterschiedlichen Permeabilität des Kern­ materials und der Hohlräume entstehen, außerhalb des Ringkernes nicht bemerkbar sind. Durch die geometrischen Abmessungen der Hohlräume läßt sich die spezielle Form der Magnetisierungskennlinie des Kernes beeinflussen und damit auch das spezielle nichtlineare Verhalten einer Drossel, die einen Kern nach Fig. 2 enthält.

Bekanntlich werden Ferrox-Cube-Kerne aus pulverförmigen Ferrox-Cube-Material hergestellt. Das Pulver wird mit einem Bindemittel versetzt und dann unter hohem Druck in einer Preßform z.B. in eine ringförmige Gestalt ge­ bracht. Der gepresste Kern wird anschließend gesintert. Lagert man vor dem Fressen des Kernes in die mit Binde­ mittel versetzte Masse z.B. Keramikkörper so ein, daß sie von allen Seiten mit Ferrox-Cube-Material umgeben sind, so enthält der gepresste Kern schon die Hohlräume, die zu einem nichtlinearen Verhalten führen. Die Keramikkörper werden auch durch die anschließende Sinterung nicht zer­ stört, daher enthält der Kern auch nach der Sinterung die gewünschten Hohlräume.

Claims (3)

1. Spulenkern von ringähnlicher Gestalt aus magnetisch sättigbarem Material, der mindestens eine aus magne­ tischem Material bestehende Schnittfläche seines Quer­ schnittes enthält, die kleiner ist als entsprechende Schnittflächen ihrer Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (RK) Hohlräume (H 1, H 2) enthält, die mit magnetisch neutralem Material ausgefüllt sind.

2. Spulenkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (H 1, H 2) vollständig von magnetisch sättigbarem Material umgeben sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Spulenkernes nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial aus Ferrox-Cube-Material besteht, daß vor dem Pressen und Sintern des Kernes Einlagen aus magnetisch neutralem Material in die Pressform so eingebracht werden, daß sie gänzlich von Ferrox-Cube-Material umschlossen sind.