Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Vorspannen von magnetischem Material. Die
Erfindung hat Anwendung beispielsweise auf elektrische
Vorrichtungen wie Transformatoren und Induktoren.
Stand der Technik
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Die Charakteristik von magnetisch weichem Material, etwa
Siliziumstahl, Ferrit oder dergleichen wird dargestellt durch
die Hystereseschleife und die Kennlinie der magnetischen
Sättigung in Fig. 2. In dieser Zeichnung ist B die
Magnetflußdichte, Bm die Sättigungsmagnetflußdichte, Br die
Restmagnetflußdichte, H die Magnetisierungskraft, Hc die
Koerzitivkraft und Hs die Sättigungsmagnetisierungskraft. Wie
sich aus der Sättigungsmagnetisierungskennlinie in Fig. 2
ergibt, übersteigt aufgrund der magnetischen Sättigung die
Magnetflußdichte B in dem magnetischen Material nicht einen
vorbestimmten Betrag Bm, auch wenn die Magnetisierungskraft H
(dargestellt durch das Produkt aus Strom in einer Windung und
der Windungszahl) an das magnetische Material angelegt wird, die
über einem bestimmten Betrag liegt. Der Wert Bm wird bestimmt
durch die Eigenschaft des Materials und die Konfiguration des
magnetischen Materials, Spalten in einem magnetischen Pfad und
dergleichen. Je höher der Sättigungswert Bm ist, um so kleiner
kann ein Transformator gestaltet werden oder um so kleiner kann
ein Induktor gestaltet werden, der einen vorbestimmten
Induktanzwert realisieren kann.
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In dem Fall, wo mit Unterbrechungen ein Strom zu einem Ende
einer um einen Magnetkern gewickelten Windung fließt oder eine
Spannung angelegt wird, erfüllt das magnetische Material seine
Funktion in einem Bereich von der Sättigungsmagnetflußdichte Bm
bis zur Restmagnetflußdichte Br in Fig. 2.
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Wie sich jedoch aus Fig. 2 ergibt, kann als eine Eigenschaft des
magnetischen Materials dessen Magnetflußdichte innerhalb eines
Bereiches von +Bm bis -Bm variieren. Wie in Fig. 3 gezeigt,
wurde ein Magnetkern 10 mit einer magnetischen Polarität
basierend auf dieser Tatsache entwickelt. Der Kern hat einen
Permanentmagneten 12, der in einen magnetischen Pfad derart
eingefügt ist, daß die Magnetflußdichte, die sich bei der
Magnetisierungskraft H gleich "0" ergibt, d. h. die
Restmagnetflußdichte Br, einen negativen Wert aufweist.
Hierdurch wird der ausnützbare Bereich der Magnetflußdichte
erheblich gespreizt. Somit erlaubt die Kombination des
Magnetkerns mit einem Permanentmagneten eine Reduzierung des
Nutzvolumens des magnetischen Materials und damit eine
Miniaturisierung der Vorrichtung.
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Ein Vorspannungsverfahren oder eine Vorspannungsvorrichtung
jedoch, die einen Permanentmagneten zum magnetischen Vorspannen
von magnetischem Material (wie dem Magnetkern 10) verwendet, hat
die folgenden Nachteile: die Vorrichtung ist teuer, der
Vorspannungspegel ist fest, da die Vorspannung durch einen
Permanentmagneten angelegt wird, und die magnetische Eigenschaft
des Permanentmagneten verschlechtert sich beim Langzeiteinsatz.
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Aus der US-A-4342075 ist ein Transformator mit variablem
Leckfluß bekannt, mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung
und einem Magnetkern, der einen magnetischen Hauptpfad und einen
magnetischen Seitenpfad aufweist. Der magnetische Leckfluß von
dem magnetischen Hauptpfad zu dem magnetischen Seitenpfad kann
durch Variieren des Magnetflusses in dem magnetischen Seitenpfad
gesteuert werden, wodurch die Kopplung zwischen der Primär- und
der Sekundärwicklung gesteuert wird, um die Leistungsübertragung
von der Primär- zu der Sekundärwicklung zu steuern. Bei einem
Ausführungsbeispiel dieses Transformators mit variablem
Leckfluß, wie es in diesem Patent offenbart ist, wird der Fluß
in dem magnetischen Seitenpfad durch eine Hilfswicklung
gesteuert, die einer Steuerschaltung zugeordnet ist, wobei die
Steuerschaltung den Steuerstrom zur Hilfswicklung abhängig von
dem Leitungszustand einer Zenerdiode variiert. Dieses
vorbekannte Patent betrifft die Steuerung der
Leistungsübertragung von der Primär- zur Sekundärwicklung eines
Transformators und betrifft nicht das Problem der Vorspannung
eines Magnetkerns, um eine Reduzierung des Nutzvolumens des
magnetischen Materials zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Vorspannen von magnetischem Material
anzugeben, wobei die vorgenannten Nachteile im wesentlichen
beseitigt werden.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum
magnetischen Vorspannen eines Magnetkerns einer elektrischen
Vorrichtung angegeben, um die Sättigung des Kernes zu
verhindern, welche Vorrichtung eine erste Wicklung in
betriebsmäßiger Beziehung zu dem Kern aufweist, das
gekennzeichnet ist durch die Schritte Vorsehen einer zweiten
Wicklung in betriebsmäßiger Beziehung zu dem Kern und einer
zugeordneten Betriebsschaltung für die zweite Wicklung, wobei
die Betriebsschaltung eine erste und zweite Schaltvorrichtung
enthält, und Anlegen einer Spannung an die erste Wicklung, um
eine Spannung an der zweiten Wicklung zu erzeugen, wobei die
über der zweiten Wicklung erzeugte Spannung zum Betrieb der
ersten Schaltvorrichtung dient, die in einer Erregungsschaltung
für die zweite Schaltvorrichtung enthalten ist, und der Betrieb
der ersten Schaltvorrichtung dazu dient, die zweite
Schaltvorrichtung derart zu betätigen, daß sie eine
Spannungsquelle mit der zweiten Wicklung verbindet, so daß ein
Magnetfeld erzeugt wird, das zur Verhinderung der Sättigung des
Kerns wirkt.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine
Transformatorvorrichtung mit einer Primärwicklung angegeben, der
eine Eingangsvorrichtung zugeordnet ist, einer Sekundärwicklung,
der eine Ausgangsvorrichtung zugeordnet ist, einem Magnetkern,
der betriebsmäßig der Primär- und Sekundärwicklung zugeordnet
ist, einer Hilfswicklung, die betriebsmäßig dem Magnetkern
zugeordnet und aktivierbar ist, um die Magnetflußdichte in dem
Kern zu verringern, und einer ersten Schaltvorrichtung mit einer
ersten ihr zugeordneten Betriebsvorrichtung, wobei die erste
Betriebsvorrichtung mit der Hilfswicklung gekoppelt ist,
gekennzeichnet durch eine zweite Schaltvorrichtung, der eine
zweite Betriebsvorrichtung zugeordnet ist, die die erste
Schaltvorrichtung enthält, wobei die zweite Schaltvorrichtung
betätigbar ist, um die Ausgangsvorrichtung der Sekundärwicklung
mit der Hilfswicklung zu verbinden, wobei das Anlegen einer
geeigneten Spannung an die Eingangsvorrichtung der
Primärwicklung Spannungen über der Ausgangsvorrichtung der
Sekundärwicklung und über der Hilfswicklung erzeugt, wobei die
Spannung über der Ausgangsvorrichtung größer ist als diejenige
über der Hilfswicklung, und wobei die Spannung über der
Hilfswicklung die Aktivierung der ersten Schaltvorrichtung
bewirkt, die wiederum die Aktivierung der zweiten
Schaltvorrichtung bewirkt, um zu bewirken, daß die
Ausgangsvorrichtung mit der Hilfswicklung verbunden wird, um den
Magnetkern vorzuspannen, damit dessen Sättigung verhindert wird.
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Es ist verständlich, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß der Erfindung es jeweils ermöglichen, den ausnützbaren
Bereich der Magnetflußdichte zu spreizen, ohne einen speziellen
Kern zu verwenden und so das Nutzvolumen des magnetischen
Materials zu reduzieren, wodurch die Miniaturisierung der
Vorrichtung ermöglicht wird.
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Es ist ferner verständlich, daß bei einem Verfahren und einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung zusätzlich zu einem üblichen
Magnetkern und einer Hauptwicklung eine Hilfswicklung vorgesehen
ist, die derart beschaffen ist, daß sie den in einem
magnetischen Pfad durch die Hauptwicklung erzeugten Magnetfluß
um einen vorbestimmten Betrag synchron mit einem Anstieg in dem
Magnetfluß während der Zeit reduziert, während der der
Magnetfluß ansteigt, um die magnetische Sättigung des
magnetischen Materials des Magnetkerns zu verhindern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun als Beispiel unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer Transformatorvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 2 auf die zuvor Bezug genommen wurde, die
Sättigungsmagnetisierungskurven (B-H-
Magnetisierungskurven) und die Hystereseschleife von
magnetischem Material zeigt;
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Fig. 3 auf die zuvor Bezug genommen wurde, ein Diagramm einer
Magnetkernanordnung ist, die einen Permanentmagneten
enthält; und
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Fig. 4 ein Diagramm ist, das eine Änderung der
Magnetflußdichte in dem Magnetkern der Vorrichtung
nach Fig. 1 zeigt.
Beste Art, die Erfindung auszuführen
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Als nächstes wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die auf einen Transformator angewandt
wird. Wenn gemäß Fig. 1 eine Eingangsspannung mit einer in der
Zeichnung gezeigten Signalform über die Hauptwicklung N1
angelegt wird, dann wird zwischen den Klemmen einer
Sekundärwicklung N3 eine in der Größe n&sub3;/n&sub1; der Eingangsspannung
entsprechende Spannung mit der gleichen Signalform wie die
Eingangsspannung erzeugt, wobei n&sub1; und n&sub3; die Windungszahlen der
Wicklungen N1 bzw. N3 sind. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen
Magnetkern. Die Bedingung, unter der der Kern 2 nicht gesättigt
ist, wird bestimmt durch die folgende Gleichung (1):
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n&sub1; ≥ V·t1/A·Δb · 10¹&sup0; ..........(1)
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wobei V die maximale Eingangsspannung (Volt), t1 die Dauer jedes
an die Wicklung N1 angelegten positiven Eingangsimpulses
(Sekunden), A die minimale Querschnittsfläche in dem Magnetpfad
des Kerns 2 (mm²) und ΔB der ausnutzbare Bereich der
Magnetflußdichte, d. h. Bm-Br (Gauss) bedeuten.
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Die Gleichung (1) gibt an, daß die Beziehung zwischen der
Windungszahl n&sub1; der Hauptwicklung N1 und der Querschnittsfläche
A in dem Magnetpfad des Kerns 2, um die Sättigung des Kerns zu
verhindern, bestimmt wird durch ΔB, d. h. einer Differenz
zwischen der Sättigungsmagnetflußdichte Bm und der
Restmagnetflußdichte Br des Kerns 2, unter der Bedingung, daß
die Eingangsspannung und die Zeitdauer t1 jedes
Eingangsspannungsimpulses konstant sind. Somit gewährleistet ein
großes ΔB, daß der Kern 2 ohne Sättigung verwendet werden kann,
auch wenn die Windungszahl der Hauptwicklung weiter reduziert
oder die Querschnittsfläche A im Magnetpfad des Kerns 2 weiter
verringert wird. Unter Beachtung dieses Punktes ist in dem
Magnetkern mit der in Fig. 3 gezeigten magnetischen Polarität
das magnetische Material magnetisch vorgespannt, um die
Restmagnetflußdichte Br auf einen negativen Wert zu verringern,
unter Verwendung des Permanentmagneten, um den Wert ΔB zu
erhöhen. Andererseits wird bei der vorliegenden Erfindung das
magnetische Material magnetisch durch eine
Demagnetisierungswicklung (Hilfswicklung) N2 vorgespannt, die
wirksam ist, um die Magnetflußdichte durch das magnetische
Material synchron mit der Signalform der über der Hauptwicklung
N1 angelegten Eingangsspannung zu demagnetisieren, um die
Restmagnetflußdichte Br auf einen negativen Wert zu reduzieren.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß
Fig. 1 beschrieben.
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Die Wicklungen N3 und N2 sind derart um den Magnetkern
gewickelt, daß während der Zeit, während der die
Eingangsspannung über der Hauptwicklung N1 (Zeitspanne t1)
anliegt, eine Spannung in einer Richtung über der
Ausgangswicklung N3 induziert wird, die eine Vorwärtsvorspannung
einer Diode D2 und eine Rückwärtsvorspannung einer Diode D3
bewirkt, die wie in Fig. 1 gezeigt geschaltet sind. Auch wird
eine Spannung in eine Richtung über der Hilfswicklung N2
induziert, um einen Transistor Tr2 leitend zu schalten. Der in
Fig. 1 gezeigte Induktor L1 ist ein Glättungsinduktor.
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Nun wird unter Ansprechen auf einen über der Hauptwicklung N1
angelegten positiven Eingangsspannungsimpuls über einen
Kondensator C1 durch die Wicklung N3 eine Spannung Eo
entwickelt. Auch wird über der Hilfswicklung N2 eine Spannung
induziert und die Emitter-Basis-Strecke des Transistors Tr2 wird
durch die Widerstände R1 und R2 in Vorwärtsrichtung vorgespannt,
so daß der Transistor Tr2 im "Ein"-Zustand ist. Wenn der
Transistor Tr2 eingeschaltet wird, dann wird über den Widerstand
R3 Basisstrom an einen Transistor Tr1 gelegt, um den Transistor
Tr1 einzuschalten, und dann wird die Spannung Eo an die Wicklung
N2 angelegt. Wenn in diesem Falle die Spannung Eo den Wert
V·n&sub2;/n&sub1; übersteigt (wobei n&sub2; die Windungszahl der
Hilfswicklung N2 ist), dann fließt durch die Wicklung N2 ein
Strom IN2 in einer Richtung, um den Erregungsstrom in der
Wicklung N1 zu reduzieren. Der Magnetisierungsstrom IN2 wird
durch eine Schaltungsanordnung immer konstant gehalten, die aus
dem Transistor Tr1, einem Widerstand R4 und einer Zenerdiode D1
(Zenerspannung VZ) besteht, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die
Beziehung derselben wird ausgedrückt durch folgende Gleichung
(2):
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VBE + IN2·R4 = VZ.
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Damit: IN2 = VZ-VBE/R4 (konstant) ............(2)
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(VBE ist die Basis-Emitter-Spannung am Transistor Tr1.)
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Wie zuvor beschrieben wurde, hält bei der vorliegenden Erfindung
die Schaltungsanordnung, in der die Zenerdiode D1 verwendet
wird, den Demagnetisierungsstrom IN2 während der Periode der
Zeit t1 konstant, so daß der Erregungsstrom in der Hauptwicklung
N1 nicht beeinträchtigt wird. Das heißt, daß die
Magnetflußdichte in dem Kern 2 während der Zeit t1 immer um den
vorbestimmten Wert demagnetisiert wird. Unter der Annahme, daß
der demagnetisierte Wert mit ΔB1 bezeichnet wird, ergibt sich
folgende Gleichung (3):
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ΔB1 = uH-u·n&sub2;·IN2 ..........(3)
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(wobei u die magnetische Permeabilität des magnetischen
Materials ist).
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Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß die
vorliegende Erfindung derart aufgebaut ist, daß die Spannung Eo
die durch die Hilfswicklung N2 induzierte Spannung überschreitet
und der Demagnetisierungsstrom IN2 durch die Schaltung konstant
gehalten wird, in der die Zenerdiode D1 verwendet wird, wodurch
die Magnetflußdiechte in dem Kern 2 um den vorbestimmten Wert
ΔB1 demagnetisiert wird, um die magnetische Sättigung des
Kerns 2 zu verhindern.
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Als nächstes wird die Zeit t2 beschrieben, während der keine
Spannung über der Wicklung N1 angelegt wird. Der Transistor Tr2
ist während der Periode der Zeit t2 in gesperrtem Zustand, so
daß der Transistor Tr1 ebenfalls gesperrt wird und somit kein
Strom durch die Wicklung N2 fließt. In Abwesenheit des
Demagnetisierungsstromes IN2 in der Wicklung N2 wird der Kern 2
nicht demagnetisiert, so daß die Magnetflußdichte in dem Kern 2
sich augenblicklich bei Beginn der Zeitperiode t2 erhöht. Da
jedoch keine Spannung über der Wicklung N1 angelegt wird,
bewirkt auch ein gesättigter Kern 2 kein Problem.
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Fig. 4 zeigt eine Änderung in der Magnetflußdichte in dem
Kern 2. Die Magnetflußdichte in dem magnetischen Material wird
um den aus der Gleichung (3) abgeleiteten Wert u·n&sub2;·IN
während der Zeit t1 demagnetisiert, so daß der Sättigungspunkt
im wesentlichen um den Betrag steigt, der diesem entspricht.
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Die vorliegende Erfindung kann auch auf einen Induktor in der
gleichen Weise angewandt werden, wie sie auf einen Transformator
angewandt wird, mit der Ausnahme, daß eine externe
Gleichspannungsquelle entsprechend der Spannung Eo in Fig. 1
erforderlich ist.
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Wie zuvor beschrieben wurde, macht gemäß vorliegender Erfindung
das Hinzufügen der Hilfswicklung um den Magnetkern und der
einfachen Schaltung die Miniaturisierung einer magnetischen
Vorrichtung und eine Reduzierung der Windungszahl der
Hauptwicklung möglich. Unter gegebenen Arbeitsbedingungen
erzielte die vorliegende Erfindung, die auf einen Transformator
oder einen Induktor angewandt wird, eine Reduzierung von
etwa 30% im Volumen des magnetischen Materials verglichen mit
üblichen Transformatoren oder Induktoren, die magnetisches
Material verwenden, das nicht magnetisch vorgespannt ist.